Wissenswertes zu EPROMs, EEPROMs, Flash-EEPROMs
Was sind Speicherbausteine?
Speicherbausteine kommen seit einigen Jahrzenten in Mikro- computer- und Mikrocontrollersystemen zum Einsatz und dienen der dauerhaften oder temporären Speicherung von Daten oder Programmcode. Grundsätzlich werden RAM (Random-Access- Memory) und ROM (Read-Only-Memory) unterschieden, die jeweils als separate Speicherbausteine oder integriert in einen Mikrocontroller verbaut werden.
RAM-Bausteine sind flüchtige Speicher, die nach Abschalten der Versorgungsspannung ihren Inhalt verlieren. Sie kommen daher hauptsächlich für die Zwischenspeicherung von Daten zum Einsatz. Der Inhalt von ROMs bleibt dagegen auch nach Abschalten der Versorgungsspannung dauerhaft verfügbar. Ihr häufigster Einsatzzweck ist die Speicherung von Programmcode, der die Steuerungsanweisungen für Mikrocontroller und Mikroprozessoren enthält und somit einen Großteil der Prozessabläufe und Funktionen in Maschinen und Anlagen bestimmt.
Arten von Speicherbausteinen und Speicherungsprinzip
Speicherbausteintypen unterscheiden sich vor allem hinsichtlich der technisch-physikalischen Prinzipien, mit denen die einzelnen Speicherzellen realisiert wurden. Hiermit werden die Programmier- und Löschbarkeit des Speicherbausteins sowie vor allem auch die Lebensdauer der abgelegten Daten bestimmt. Gehen einzelne Daten verloren, so bedeutet dies den Ausfall der gesamten Leiterplatte.
Der Inhalt eines ROMs wird bereits im Produktionsprozess des Bausteins festgelegt und ist nicht veränderbar. Diese Art von Speicherbaustein ist nur bei sehr hohen Stückzahlen der Zielgeräte rentabel, wie dies beispielsweise von Konsumgütern der Fall ist. So genannte PROMs (Programmable Read-Only- Memory) können dagegen vom Anwender selbst mit einem entsprechenden Gerät einmalig programmiert werden können, indem in einer Matrix aus Speicherzellen gezielt einzelne Verbindungen „durchgebrannt“ werden und so ihren binären Zustand von „0“ nach „1“ ändern. Die Lebensdauer des Speicherinhalts ist in ROMs und PROMs praktisch unbegrenzt, da quasi eine feste Verdrahtung der Speicherinformation vorliegt.
Da ROMs und PROMs für den Entwicklungsprozess eines Produktes sehr unflexibel und teuer sind, wurden im weiteren Entwicklungsfortschritt der Speichertechnologie so genannte EPROMs (Erasable PROM) entwickelt. Im Gegensatz zu (P)ROMs können EPROMs auch wieder gelöscht werden. Hierzu ist im Baustein ein charakteristisches Quarzglasfenster integriert, durch welches der Inhalt der Speicherzellen mittels UV-Licht gelöscht werden kann.
Die Speicherzellen eines EPROMs sind jeweils durch einen MOSFET-Transistor realisiert, der als Steueranschluss eine isolierte Hilfselektrode (Floating Gate) besitzt. Ist das Floating Gate ungeladen, wird eine binäre "1" repräsentiert. Wenn das Floating Gate durch eine erhöhte Programmierspannung und unter Ausnutzung spezieller physikalischer Effekte geladen wird, schaltet der Transistor dauerhaft durch und eine binäre "0" wird repräsentiert.
Aufgrund ihrer elektrischen Isolierung bleiben die Steuerspannungen auf den Floating Gates auch nach Abschalten der Programmier- und Versorgungsspannung erhalten. Da die notwendige Programmierspannung deutlich höher als die Standard-Versorgungsspannung ist, lassen sich EPROMs nur mit speziellen Programmiergeräten außerhalb der Leiterplatte programmieren.
Da die Preise für EPROMs schnell gesunken sind, haben sich diese Speicherbausteine ab den 80er Jahren schnell zu einem Standardbauteil entwickelt und ROMs und PROMs weitgehend abgelöst. Seitdem kommen sie in praktisch jeder Mikrocontroller- und oder Mikroprozessor-Schaltung zum Einsatz. In den Datenblättern der Hersteller wird für die Lebensdauer der gespeicherten Daten in EPROMs meist ein Wert von etwa 10 Jahren genannt.
Da sich EPROMs nur außerhalb der Leiterplatte programmieren und löschen lassen, wurden als weitere Speicherbausteine so genannte EEPROMs (Electrically Erasable PROM) entwickelt, die sich allein mit der Standard-Versorgungsspannung des Bausteins direkt in der Anwendungsschaltung beschreiben und löschen lassen. Gegenüber RAM-Bausteinen haben sie dabei den großen Vorteil, dass der Inhalt auch nach Abschalten der Versorgungsspannung erhalten bleibt. In EEPROMs werden ebenfalls MOSFET-Transistoren verbaut, die notwendige Programmierspannung wird jedoch nicht extern angelegt, sondern intern im Speicherbaustein erzeugt. Nachteilig sind die gegenüber EPROMs und RAMs vergleichsweise langen Lösch- und Programmierzeiten sowie die deutliche Beschränkung der maximal möglichen Programmierzyklen.
Die langsamen Lösch- und Programmierzeiten des EEPROMs führten in der Weiterentwicklung zu den Flash-EEPROMs. Im Gegensatz zu EEPROMs und EPROMs können hier Bytes jedoch nicht mehr einzeln beschrieben werden, sondern nur noch größere Byte-Arrays gleichzeitig programmiert werden. Als großen Vorteil weisen Flash-EEPROMs dagegen jedoch deutlich geringere Lösch- und Programmierzeiten sowie eine längere Lebensdauer auf. Die Speicherzellentechnologie basiert ebenfalls auf MOSFET-Transistoren, d.h. auch hier entsteht mit steigendem Alter und häufigen Schreibvorgängen Datenverlust.