Dispositivos Programables por el usuario: ROM, PROM, EPROM, EEPROM, memorias

FLASH

Raúl García Titosrgtsev@correo.ugr.es

1 Introducción• Con frecuencia se confunden los tipos memorias y sus funciones. En el

campo de la informática, se emplea la palabra memoria para referirse comúnmente a la memoria RAM, pero existen muchos otros tipos de memoria o soportes. Y es que en la actualidad, la memoria se ha convertido en uno de los recursos básicos, teniendo en cuenta las necesidades de las actuales aplicaciones software.

• Hoy por hoy, independientemente de la memoria de que disponga, cuando un PLD típico deja la fábrica de IC, aún no está listo para una función específica, sino que debe ser programado por el usuario para que realice la función requerida en una aplicación particular.

• Es por eso, que se pretende en este documento, abordar las nociones básicas relativas a las memorias programables por el usuario, así como sus funciones para que el usuario poco iniciado comprenda el funcionamiento del dispositivo hardware programable al que se enfrenta.

1.1 Memorias Programables• La memoria es un dispositivo que sirve para almacenar la información. En

los dispositivos de memoria se realizan dos tipos de operaciones: obtener la información que hay almacenada (lectura) y guardar o almacenar nueva información (escritura). En cualquier caso, nos centraremos en las memorias no volátiles, que mantienen la información indefinidamente, una vez grabadas permanecen. Dado que cualquier sistema microprocesado requiere de al menos un mínimo de memoria no volátil donde almacenar ya sea un sistema operativo, un programa de aplicación, un lenguaje intérprete, o una simple rutina, es necesario utilizar un dispositivo que preserve su información de manera al menos semi-permanente.

• Pueden ser no regrabables, como la memoria ROM y PROM. Ambos tipos, una vez grabadas no pueden volver a grabarse. Las memorias regrabables por el contrario pueden modificar o regrabar la información que contienen, como EPROM que permite regrabar pero sólo si se borra todo el contenido anterior a través de radiaciones ultravioletas. EEPROM igual, pero se puede borrar selectivamente a través de elevadas corrientes eléctricas. FLASH es de características análogas a la EEPROM. Aunque el proceso de reprogramación suele ser poco frecuente y relativamente lento.

1.1 Memorias Programables• La memoria suele estar integrada en forma de circuitos integrados. La

calidad de estos chips es un factor determinante a la hora de determinar su durabilidad y su tolerancia frente a fallos. Generalmente, la programación de estos dispositivos consiste en la supresión de determinadas conexiones realizadas mediante un diódo o un transistor que actúan como fusibles.

• Aunque la velocidad de lectura relativa de la ROM ha ido variando con el tiempo desde el año 2007, la memoria RAM sigue siendo más rápida que la mayoría de las memorias ROM, por lo tanto el contenido de las ROM se suele traspasar normalmente a la memoria RAM cuando se utiliza.

2 ROM• La ROM (Read-Only Memory), memoria de sólo lectura, forma parte del

grupo de componentes llamados dispositivos lógicos programables (PLD, programmable logic devices), que emplean la información almacenada para definir circuitos lógicos. La memoria ROM constituye lo que se ha venido llamando firmware, es decir, el software metido físicamente en hardware. Dispositivos que son capaces de proveer el medio físico para almacenar esta información.

• Desarrollada por Toshiba, es el tipo más simple y de la misma antigüedad que la propia tecnología semiconductora. Los ordenadores domésticos a comienzos de los años 1980 venían con todo su sistema operativo en ROM. La mayoría de los ordenadores personales contienen una cantidad pequeña de ROM (algunos tantos miles de bytes) que salve programas críticos tales como la BIOS. Además, las ROM se utilizan extensivamente en calculadoras y dispositivos periféricos tales como impresoras láser.

2 ROM

• El elevado coste del diseño de la máscara sólo hace aconsejable el empleo de los microcontroladores con este tipo de memoria cuando se precisan cantidades superiores a varios miles de unidades. Son memorias perfectas para guardar microprogramas, sistemas operativos, tablas de conversión, generación de caracteres etc.

• A pesar de la simplicidad de la ROM, los dispositivos reprogramables son más flexibles y económicos, por lo cual las antiguas máscaras ROM no se suelen encontrar en hardware producido a partir de 2007.

2.1 Estructura• Generalmente una ROM suele estar fabricada con transistores de

tecnología bipolar o con MOS para representar los dos estados lógicos (1 ó 0). Compuesta por una matriz de puertas AND fija, cuyas salidas (cada bit) son conectadas, a través de un fusible, a una matriz de puertas OR programable .

• Fig. 1. La figura muestra celdas ROM bipolar. La presencia de una unión desde una línea de fila a la base de un transistor representa un ‘1’ en esa posición. En las uniones fila/columna en las que no existe conexión de base, las líneas de la columna permanecerán a ‘0’ cuando se direccione la fila.

2.1 Estructura

• Fig. 2. La figura muestra la organización interna de una memoria ROM.

2.2 Programación• La programación se desarrolla mediante el diseño de un negativo

fotográfico llamado máscara donde se especifican las conexiones internas de la memoria. El contenido de las celdas de memoria se almacena durante el proceso de fabricación para mantenerse después de forma irrevocable, desde el instante en que el fabricante grabo las instrucciones en el chip, por lo tanto la escritura de este tipo de memorias ocurre una sola vez y queda grabado su contenido aunque se le retire la energía.

3 PROM• La PROM (Programmable Read-Only Memory), memoria de sólo lectura

programable, es una variación de la ROM manufactura como chips en blanco en los cuales los datos pueden ser escritos una sola vez con un dispositivo llamado programador de PROM mediante aplicación de pulsos de alto voltaje, permiten ahorrándose así al usuario el alto costo de la producción de la máscara.

• Un PROM es un chip de memoria en la cual el usuario puede salvar un programa, pero una vez que se haya utilizado la PROM, no puede ser re-usado para salvar algo más. Como las ROM, las PROMS son permanentes.

• Inventada por Wen Tsing Chow en 1956 en Nueva York, concebida a petición de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos, para conseguir una forma más segura y flexible para almacenar las constantes de los objetivos en la computadora digital. La patente y la tecnología asociadas fueron mantenidas bajo secreto por varios años.

3 PROM• Las modernas implementaciones comerciales de las PROM basadas en

circuitos integrados, borrado por luz ultravioleta, y varias propiedades de los transistores, aparecen unos 10 años después. Estas memorias son utilizadas para grabar datos permanentes en cantidades menores a las ROMs.

• La flexibilidad adicional que se obtiene con la PROM puede convertirse en una desventaja si en la unidad PROM se programa un error que no se puede corregir. Para superar esta desventaja, se desarrolló la EPROM.

3.1 Estructura• Fig. 3. La figura muestra la disposición interna de una celda de memoria

PROM y los fusibles correspondientes.

3.2 Programación• El proceso de programación de una PROM generalmente se realiza con un

equipo especial llamado quemador. Este equipo emplea un mecanismo de interruptores electrónicos controlados por software que quema en las diferentes celdas de memoria plicando la carga de la dirección en el bus de direcciones, los datos en los buffers de entrada de datos y generar los pulsos para fundir los fusibles del arreglo interno de la memoria.

• Es una memoria digital donde el valor de cada bit depende del estado de un fusible (o antifusible), que puede ser quemado una sola vez. Una PROM común se encuentra con todos los bits en valor 1 como valor por defecto de las fábricas; el quemado de cada fusible, cambia el valor del correspondiente bit a 0. La programación se realiza aplicando pulsos de altos voltajes que no se encuentran durante operaciones normales (12 a 21 voltios).

3.2 Programación• Fig. 4. La figura muestra de forma esquemática la función del

programador de un PROM.

4 EPROM• La EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory), memoria de sólo

lectura programable y borrable, es un tipo especial de PROM reprogramable desarrollada en 1971 que puede ser borrado exponiéndolo a la luz ultravioleta.

• Tipo de chip de memoria no volátil inventado por el ingeniero Dov Frohman. Una EPROM programada retiene sus datos durante diez o veinte años, y se puede leer un número ilimitado de veces. Para evitar el borrado accidental por la luz del sol, la ventana de borrado debe permanecer cubierta.

• Las antiguas BIOS de los ordenadores personales eran frecuentemente EPROM y la ventana de borrado estaba habitualmente cubierta por una etiqueta que contenía el nombre del productor de la BIOS, su revisión y una advertencia de copyright.

4.1 Estructura• La memoria EPROM, se compone de un arreglo de transistores MOSFET de

Canal N de compuerta aislada. Cada transistor tiene una compuerta flotante de SiO2 (sin conexión eléctrica) que en estado normal se encuentra apagado y almacena un 1 lógico. Las EPROMs también emplean transistores de puerta dual o FAMOS (Floating-Gate Avalanche-Injection Metal-Oxide Semiconductor) de cargas almacenadas, cada uno de los cuales viene de fábrica sin carga, por lo que son leídos como 1 (por eso, una EPROM sin grabar se lee como FF en todas sus celdas).

• Fig. 5. La figura muestra el transistor funcionando como celda de memoria de una EPROM.

4.1 Estructura• Fig. 6. La figura muestra la apariencia física de una EPROM.

• Fig. 7. La figura muestra la primera EPROM desarrollada por Intel en 1702.

4.2 Programación• Estos dispositivos se basan en la modificación de la carga eléctrica

atrapada en la puerta de un transistor MOS. Se programan mediante un dispositivo electrónico o chip programador que proporciona voltajes superiores a los normalmente utilizados en los circuitos electrónicos (10 a 25 voltios) aplicados en un pin especial de la memoria durante un corto plazo de tiempo (aproximadamente 50 ms, según el dispositivo), al mismo tiempo se direcciona la posición de memoria y se pone la información a las entradas de datos. Las celdas que reciben carga se leen entonces como un 0. Este proceso puede tardar varios minutos dependiendo de la capacidad de memoria. Los datos almacenados pueden permanecer por un período aproximado de 10 años.

4.2 Programación• Una vez programada con la información pertinente, la EPROM es instalada

en el sistema correspondiente donde será usada como dispositivo de lectura solamente. Eventualmente, ante la necesidad de realizar alguna modificación en la información contenida o bien para ser utilizada en otra aplicación, la EPROM es borrar solamente mediante exposición la luz ultravioleta (con una longitud de onda de 2537 Angstroms). Esto es debido a que los fotones de la luz excitan a los electrones de las celdas provocando que se descarguen. Es por eso que es encapsulada con una ventana transparente de cuarzo sobre la EPROM, a través de la cual se puede ver el chip de silicio. El tiempo de borrado oscila entre 10 y 30 minutos, depende del fabricante de la memoria que se desee borrar. En este tiempo todos sus bits se ponen a 1.

• Se debe aclarar que una EPROM no puede ser borrada parcial o selectivamente; de ahí que por muy pequeña que fuese la eventual modificación a realizar en su contenido, inevitablemente se deberá borrar y reprogramar en su totalidad.

5 EEPROM• La EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory),

memoria de sólo lectura eléctricamente programable y borrable, es un tipo especial de PROM eléctricamente borrable y reprogramable exponiéndolo a una carga a nivel de bytes. Inventada en 1983, supone una gran flexibilidad, pero también una celda de memoria más compleja.

• Podemos encontrar este tipo de memorias en aplicaciones tales como los receptores de televisión o magnetoscopios para memorizar los ajustes o canales de recepción.

5.1 Estructura• Actualmente estas memorias se construyen con transistores de tecnología

MOS (Metal Oxide Silice) y MNOS (Metal Nitride-Oxide Silicon) Las celdas difieren de la EPROM básicamente en la capa aislante alrededor de cada compuerta flotante, la cual es más delgada y no es fotosensible.

• Además del transistor de puerta flotante, es preciso un segundo transistor de selección. El tener dos transistores por celda hace que las memorias sean de baja densidad y mayor coste, lo que hace no se disponga de tan amplia variedad en el mercado.

5.2 Programación• La programación y borrado de estas memorias pueden realizarse sin la

necesidad de una fuente de luz UV ni unidad programadora de PROM. Es importante destacar que las palabras almacenadas en memoria se pueden reprogramar y borrar eléctricamente de forma individual. El tiempo de borrado total se reduce a 10ms en el mismo circuito. Se puede reescribir unas 1000 veces aproximadamente y sin necesidad de hacer un borrado previo. Una ventaja adicional radica en que no necesitan una alta tensión para el grabado, 5 voltios son suficientes.

6 FLASH• La memoria FLASH, inventada en 1984 por Toshiba, deriva de la EEPROM

y permite eliminar y reprogramar el contenido de la misma a velocidades superiores a esta, en una misma operación mediante pulsos eléctricos miles de veces sin sufrir ningún daño.

• Similar a la EEPROM, es decir, se puede programar y borrar eléctricamente pero de menor costo de fabricación y más sencillo, con modelos de capacidad equivalente a las EPROM y de alta densidad de celdas (gran capacidad de almacenamiento de bits).

• Los usos se están incrementando rápidamente, ideal para docenas de aplicaciones portátiles tales como cámaras digitales, PDA´s, reproductores de música, teléfonos móviles, etc. Es por eso que se han convertido en poco tiempo en una de las más populares tecnologías de almacenamiento de datos.

• Sin embargo, todos los tipos de memoria FLASH sólo permiten un número limitado de escrituras y borrados, dependiendo de la celda, la presión del proceso de fabricación y del voltaje necesario para su borrado.

6.1 Estructura• Contiene una matriz de celdas con un transistor evolucionado con dos

puertas eon cada intersección. Este tipo de memoria está fabricado con puertas lógicas NOR y NAND. Las celdas de memoria FLASH se encuentran construidas por un solo transistor FAMOS de puerta apilada, formado por una puerta de control y una puerta aislada.

• La compuerta aislada almacena carga eléctrica cuando se aplica una tensión lo suficientemente alta en la puerta de control.

• De la misma manera que la memoria EPROM, cuando hay carga eléctrica en la compuerta aislada, se almacena un 0, de lo contrario se almacena un 1.

6.1 Estructura• Fig. 8. La figura muestra la estructura de una celda de memoria de una

FLASH.

6.2 Programación• Mientras la memoria FLASH se encuentra en funcionamiento se comporta

como las EPROM, la diferencia se encuentra en cómo se cargan y borran los datos. Para tal efecto la memoria recibe una secuencia de comandos predefinida que incluye algunas precauciones especiales destinadas a evitar que se borre cualquier dato por error.

• Las operaciones básicas de una memoria FLASH son la programación, la lectura y borrado:

Programación: se efectúa aplicando una tensión a cada una de las compuertas de control correspondiente a las celdas en las que se desean almacenar 0.

Lectura: aplicando una tensión positiva a la compuerta de control de la celda de memoria, en cuyo caso el estado lógico almacenado se deduce con base en el cambio de estado del transistor:

Si hay un 1, la tensión aplicada será lo suficiente para encender el transistor y hacer circular corriente del drenador hacia la fuente.

Si hay un 0, la tensión aplicada no encenderá el transistor debido la carga eléctrica almacenada en la compuerta aislada.

Borrado: liberación de las cargas eléctricas almacenadas en las compuertas aisladas de los transistores aplicando una tensión lo suficientemente negativa como para desplazar las cargas.

6.2 Programación• Los comandos lectura/reset preparan la memoria para operaciones de

lectura, autoselección permite leer el código del fabricante y el tipo de dispositivo, byte carga el programa dentro de la memoria, borrar sector borra individualmente un sector de la memoria. Cuando un sector está protegido de acciones de escritura o lectura no deseadas no se puede realizar dicha operación aun aplicando los 5 voltios.

7 Conclusiones• Todas estas tecnologías mejoraron la versatilidad y flexibilidad de la ROM

aunque el costo por chip incrementaba. Por eso las máscaras ROM fueron la solución económica durante bastantes años. Aun así, hay que tener en cuenta que las nuevas tecnologías con más capacidad de modificación estuvieron diseñadas para eliminar del mercado a las ROM y reemplazarlas.

• Las ROM más modernas, como EPROM y EEPROM, efectivamente se pueden borrar y volver a programar varias veces, aun siendo descritos como "memoria de sólo lectura" (ROM). La razón de que se las continúe llamando así es que el proceso de reprogramación en general es poco frecuente, relativamente lento y, a menudo, no se permite la escritura en lugares aleatorios de la memoria.

• No obstante, el uso de la ROM para almacenar grandes cantidades de datos ha ido desapareciendo casi completamente en los ordenadores de propósito general, mientras que la memoria Flash ha ido ocupando este puesto.

7 Conclusiones• A pesar de que en la EEPROM se puede borrar de forma selectiva

cualquier byte, las memorias Flash son bastante más baratas debido a su sencilla tecnología y fabricación con grandes cantidades de almacenamiento teniendo en cuenta que también son más rápidas en términos de programación y borrado.

• El futuro de la memoria flash es bastante alentador, ya que son pequeñas, significativamente más baratas y flexibles. En la actualidad se fabrican discos duros con memorias flash NAND de 32Gb con una velocidad de 33,3Mb/s. El problema reside en que tiene un número limitado de accesos. Sin embargo el 7 de enero de 2013 Kingston lanzó al mercado una memoria flash con una capacidad de 1TB.

Referencias• 1. http://es.wikipedia.org/wiki/ROM• 2. http://es.wikipedia.org/wiki/Memoria_PROM• 3. http://es.wikipedia.org/wiki/Memoria_EPROM• 4. http://es.wikipedia.org/wiki/EEPROM• 5. http://es.wikipedia.org/wiki/Memoria_flash• 6. http://www.elprisma.com/apuntes/ingenieria_de_sistemas/memoria/default.asp• 7. http://www.monografias.com/trabajos18/memorias-programables/memorias-programables.shtml• 8. http://www.uhu.es/raul.jimenez/DIGITAL_I/dig1_vi.pdf• 9. http://www.ecured.cu/index.php/Memoria_de_solo_lectura• 10. http://www.emagister.com/curso-sistemas-digitales/tipos-rom• 11. http://lc.fie.umich.mx/~jfelix/LabDigI/Practicas/P11/Lab_Digital%20I-11.html• 12. http://es.wikipedia.org/wiki/Memoria_reprogramable• 13. http://lsbit.wordpress.com/2008/08/25/memorias-de-solo-lectura-rom/• 14. http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/2000477/lecciones/100301.htm• 15. http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/2000477/lecciones/100501.htm