EEPROM, hay còn gọi là E2PROM, là một loại chip nhớ bán dẫn quen thuộc. EEPROM là viết tắt của Electrically Erasable Programmable Read Only Memory (Bộ nhớ chỉ đọc lập trình xóa được bằng điện). Tên gọi này phần nào mô tả cách thức hoạt động của nó.
EEPROM là một dạng bộ nhớ không khả biến (non-volatile memory). Điểm đặc biệt là từng byte dữ liệu trong EEPROM có thể được xóa và lập trình lại một cách độc lập.
Mục Lục
Quá Trình Phát Triển Của EEPROM
EEPROM/E2PROM là một trong những công nghệ chip nhớ bán dẫn không bay hơi đầu tiên. Nó phát triển từ công nghệ EPROM tiêu chuẩn, phổ biến vào cuối những năm 1970 và 1980. Những bộ nhớ EPROM này có thể được lập trình, thường bằng phần mềm máy tính. Khi cần thay đổi phần mềm, chip sẽ được xóa bằng cách tiếp xúc với tia cực tím (UV).
Quá trình xóa có thể mất một giờ hoặc hơn, nhưng vẫn chấp nhận được trong môi trường phát triển. Tuy nhiên, những bộ nhớ bán dẫn này không thể xóa bằng điện, và một giải pháp hoàn toàn bằng điện sẽ tiện lợi hơn nhiều.
Năm 1983, một nhóm phát triển tại Intel, dẫn đầu bởi George Perlegos, đã phát triển một công nghệ dựa trên công nghệ EPROM hiện có. Bằng cách bổ sung cấu trúc vào EPROM hiện có, bộ nhớ EEPROM mới có thể được xóa và lập trình bằng điện. Thiết bị EEPROM đầu tiên được đưa ra thị trường là Intel 2816.
Sau đó, nhiều thành viên của nhóm phát triển EEPROM đã rời Intel và thành lập một công ty mới tên là Seeq Technology, tiếp tục phát triển và sản xuất công nghệ EEPROM và các thiết bị bộ nhớ bán dẫn khác.
Ưu Điểm Của EEPROM
Ưu điểm của bộ nhớ EEPROM, ngoài việc dữ liệu được lưu trữ không bị mất khi tắt nguồn, là khả năng đọc dữ liệu, cũng như xóa và ghi dữ liệu. Để xóa dữ liệu, cần một điện áp tương đối cao. Các EEPROM đời đầu cần một nguồn điện áp cao bên ngoài. Các phiên bản sau này đã tích hợp nguồn điện áp cao này vào trong chip EEPROM. Nhờ đó, thiết bị bộ nhớ có thể hoạt động chỉ với một nguồn điện duy nhất, giảm đáng kể chi phí cho mạch tổng thể sử dụng EEPROM và đơn giản hóa thiết kế.
Tuy nhiên, các chu kỳ đọc và ghi của EEPROM chậm hơn nhiều so với RAM. Do đó, cần sử dụng dữ liệu được lưu trữ trong EEPROM sao cho không ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể của hệ thống. Thông thường, dữ liệu được tải xuống khi khởi động hệ thống. Các thao tác ghi và xóa được thực hiện trên cơ sở từng byte.
Cấu Tạo Và Nguyên Lý Hoạt Động Của EEPROM
Bộ nhớ EEPROM sử dụng cùng nguyên tắc cơ bản với công nghệ bộ nhớ EPROM. Mặc dù có một số cấu hình ô nhớ khác nhau, nhưng nguyên tắc cơ bản đằng sau mỗi ô nhớ là tương tự.
Thông thường, một ô nhớ EEPROM bao gồm hai transistor hiệu ứng trường (FET). Một trong số đó là transistor lưu trữ, có một cổng nổi (floating gate). Các electron có thể bị giữ lại trong cổng này. Sự có mặt hay vắng mặt của các electron này tương ứng với dữ liệu được lưu trữ.
Transistor còn lại trong ô nhớ được gọi là transistor truy cập (access transistor), cần thiết cho các hoạt động đọc/ghi của ô nhớ EEPROM.
Phân Loại EEPROM: Nối Tiếp (Serial) Và Song Song (Parallel)
Trong dòng thiết bị nhớ EEPROM, có hai loại chính:
EEPROM Nối Tiếp
EEPROM nối tiếp khó vận hành hơn vì có ít chân hơn. Các thao tác phải được thực hiện theo kiểu nối tiếp, khiến chúng chậm hơn nhiều so với EEPROM song song.
Các giao diện tiêu chuẩn thường dùng là:
- SPI (Serial Peripheral Interface): Giao diện ngoại vi nối tiếp
- I2C (Inter-Integrated Circuit): Giao diện liên mạch tích hợp
- Microwire: Một giao diện nối tiếp đồng bộ
- UNI/O: Giao diện một dây đơn hướng
- 1-Wire: Giao diện một dây
Các giao diện này yêu cầu từ 1 đến 4 tín hiệu điều khiển để hoạt động. Một giao thức EEPROM nối tiếp điển hình bao gồm ba giai đoạn:
- Giai đoạn mã OP (Operation Code): Thường là 8 bit đầu tiên đầu vào cho chân đầu vào nối tiếp của thiết bị EEPROM (hoặc ẩn với hầu hết các thiết bị I²C).
- Giai đoạn địa chỉ: 8 đến 24 bit địa chỉ tùy thuộc vào độ sâu của thiết bị.
- Giai đoạn dữ liệu: Dữ liệu được đọc hoặc ghi.
Sử dụng các giao diện này, các thiết bị nhớ bán dẫn có thể được chứa trong một gói tám chân nhỏ gọn. Đây là lợi thế chính của EEPROM nối tiếp.
EEPROM Song Song
Các thiết bị EEPROM song song thường có bus dữ liệu rộng 8 bit. Việc sử dụng bus song song cho phép nó bao phủ bộ nhớ hoàn chỉnh của nhiều ứng dụng vi xử lý nhỏ hơn. Thông thường, các thiết bị có các chân bảo vệ ghi và chọn chip. Một số vi điều khiển được sử dụng có một EEPROM song song tích hợp để lưu trữ phần mềm.
Hoạt động của EEPROM song song nhanh hơn so với EEPROM nối tiếp. Thao tác cũng đơn giản hơn. Tuy nhiên, EEPROM song song có kích thước lớn hơn do số lượng chân nhiều hơn. Ngoài ra, loại này đang giảm dần mức độ phổ biến so với EEPROM nối tiếp hoặc Flash do sự tiện lợi và chi phí. Ngày nay, bộ nhớ Flash mang lại hiệu suất tốt hơn với chi phí tương đương, trong khi EEPROM nối tiếp có lợi thế về kích thước nhỏ.
Các Chế Độ Lỗi Của Bộ Nhớ EEPROM
Một trong những vấn đề chính của công nghệ EEPROM là độ tin cậy tổng thể. Điều này làm giảm việc sử dụng chúng, vì các loại bộ nhớ khác có thể cung cấp mức độ tin cậy tốt hơn nhiều. Có hai cách chính mà các thiết bị bộ nhớ này có thể bị lỗi:
Thời Gian Lưu Giữ Dữ Liệu (Data Retention)
Thời gian lưu giữ dữ liệu rất quan trọng, đặc biệt nếu EEPROM chứa phần mềm cần thiết cho hoạt động của một thiết bị điện tử, ví dụ: phần mềm khởi động. Thời gian lưu giữ dữ liệu bị giới hạn đối với EEPROM vì trong quá trình lưu trữ, các electron được đưa vào cổng nổi có thể trôi qua chất cách điện (vì nó không phải là chất cách điện hoàn hảo). Điều này làm cho điện tích được lưu trữ trong cổng nổi bị mất và ô nhớ sẽ trở về trạng thái bị xóa. Thời gian để điều này xảy ra là rất lâu, và các nhà sản xuất thường đảm bảo lưu giữ dữ liệu từ 10 năm trở lên đối với hầu hết các thiết bị, mặc dù nhiệt độ có ảnh hưởng.
Độ Bền Dữ Liệu (Data Endurance)
Người ta nhận thấy rằng trong quá trình viết lại bộ nhớ EEPROM, oxide cổng trong các transistor cổng nổi của ô nhớ dần dần tích tụ các electron bị mắc kẹt. Điện trường liên kết với các electron bị mắc kẹt này kết hợp với điện trường của các electron mong muốn trong cổng nổi. Kết quả là, trạng thái không có electron trong cổng nổi vẫn có trường dư và nó sẽ tăng lên khi nhiều electron bị mắc kẹt hơn, từ đó không thể phân biệt giữa ngưỡng cho trạng thái không và ô bị kẹt ở trạng thái được lập trình. Các nhà sản xuất thường chỉ định số chu kỳ viết lại tối thiểu là 10 triệu hoặc hơn.
Bất chấp những lỗi và cơ chế tồn tại này, hiệu suất của EEPROM thường đạt yêu cầu cho hầu hết các ứng dụng. Đối với các khu vực mà tuổi thọ không thể vượt quá 10 năm và số chu kỳ đọc hoặc ghi bị giới hạn, EEPROM sẽ hoạt động rất tốt. Ngoài ra, hiệu suất sẽ có thể được các nhà sản xuất công bố là cực tiểu, mặc dù không nên dựa vào điều này trong thiết kế để đánh giá.
Mặc dù bộ nhớ Flash đã thay thế EEPROM/E2PROM trong nhiều lĩnh vực, nhưng nó vẫn được sử dụng trong một số lĩnh vực. Nó có khả năng xóa hoặc ghi một byte dữ liệu mà một số dạng bộ nhớ khác không thể làm được.