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Der EEPROM ist einer der populärsten Halbleiterspeicherchips, die wir in Computern und in der Mikroprozessortechnik im Allgemeinen finden.
EEPROM - grundlegende Definition
EEPROM steht für Electrically Erasable Programmable Read Only Memory (elektrisch löschbarer programmierbarer Festwertspeicher). EEPROM ist eine Art nichtflüchtiger ROM – das bedeutet, dass die Daten in diesem Speicher nicht verloren gehen, wenn der Strom abgeschaltet wird, wie es bei statischem RAM der Fall ist. Bei EEPROM können einzelne Datenbytes gelöscht und neu programmiert werden. Aus diesem Grund werden EEPROM-Chips auch als byte-löschbare Chips bezeichnet. EEPROM wird in der Regel zur Speicherung kleiner Datenmengen in Computern und anderen elektronischen Geräten verwendet, z. B. in eingebetteten Systemen, die auf AVR- oder ARM-Mikrocontrollern basieren.
EEPROM – historischer Hintergrund
EEPROM wurde in den späten 1970er und frühen 1980er Jahren von Forschern bei Hughes Aircraft und Intel entwickelt und diente als Ersatz für EPROM (löschbarer programmierbarer Festwertspeicher) und PROM (programmierbarer Festwertspeicher). Vor dem Einsatz von EEPROM war die EPROM-Technologie weit verbreitet. EPROM-Speicherchips konnten unter ultraviolettem Licht programmiert und dann gelöscht werden. Die Chips konnten jedoch nicht elektrisch gelöscht werden. Und das Löschen eines EPROMs dauerte mehr als eine Stunde, was in den damaligen Programmierumgebungen akzeptabel war, aber wenig Flexibilität für die potenziell schnelleren Umgebungen der Zukunft ließ. Im Laufe der Zeit hat sich die EEPROM-Technologie weiterentwickelt, um diese Herausforderungen zu meistern. EEPROMs basieren auf der bestehenden EPROM-Struktur und sind elektrisch löschbar und programmierbar. Die meisten EEPROM-Chips haben eine Lebensdauer von 10.000 bis 100.000 Schreibzyklen, was wesentlich länger ist als die Schreibzyklen von EPROM-Chips. Interessanterweise ist ein Fall bekannt, in dem ein Benutzer versuchsweise einen EEPROM in einem AVR-Mikrocontroller überschrieben hat, der nach Angaben des Herstellers bis zu 100 000 Schreibzyklen einwandfrei funktionieren sollte. In diesem Fall gab das EEPROM nach etwa 4 Millionen Schreibzyklen auf.
In EEPROMs verwendete Halbleitertechnologie
In EEPROMs werden Floating-Gate- oder Ladungsspeicher-Transistoren verwendet, während ein Metall-Oxid-Silizium-Transistor (MOS) die Ladung ableitet. Floating-Gate-Transistoren (FGTs) sind komplementäre Bitzellen auf der Grundlage der MOS-Technologie. Wenn sich keine Ladung auf dem Floating Gate befindet, wird durch einen Impuls auf dem Steuergate ein Stromfluss ausgelöst. Zu diesem Zeitpunkt verhält sich der Transistor normal. Wenn das Gate aufgeladen ist, wird das Steuergate blockiert oder behindert und der Strom fließt nicht mehr. Um die Gate-Kapazität zu entladen, müssen die Source- und Drain-Anschlüsse kurzgeschlossen und die entsprechende Spannung in den Steuergate-Tunnel durch das Oxid zum schwebenden Gate gelegt werden. Der geladene/entladene Zustand wird durch die im Gate gefangenen Elektronen bestimmt, die dann bestimmen, ob der Inhalt des Gates Bit 0 oder 1 sein wird. Eine von einem anderen Transistor getriebene Sperrspannung leitet die Ladung im Substrat ab und bewirkt so die Entladung des Gates.
Abb. 1 – Eine einzelne EEPROM-Speicherzelle
Arten von EEPROM
Üblicherweise wird zwischen zwei Arten von EEPROMs unterschieden, nämlich seriellem und parallelem Speicher.
Serielles EEPROM
Serielle EEPROM-Chips können in einem kleinen achtpoligen Gehäuse untergebracht werden, wodurch sie dichter sind als parallele EEPROM-Chips. Serielle Chips sind auch preiswerter. Der Nachteil ist, dass die Daten seriell und damit langsam übertragen werden. Außerdem ist ihre Funktionsweise komplexer.
Es gibt viele Standardschnittstellen für serielle EEPROMs:
- SPI
- I2C
- Microwire
- UNI/O
- 1-Wire
Jede der oben genannten Schnittstellen benötigt vier separate Steuersignale.
Das serielle EEPROM-Protokoll besteht aus drei Phasen:
- Operationscode Phase
- Adressierungsphase
- Datenphase
Paralleles EEPROM
Der parallele EEPROM-Chip ist sowohl mit EPROM- als auch mit Flash-Speichergeräten kompatibel. Sein Datenübertragungsmechanismus ist schneller und zuverlässiger als der eines seriellen EEPROMs. Er hat jedoch eine höhere Anzahl von Pins, was seine Größe, Dichte und Kosten erhöht. Aus diesen Gründen ist der parallele EEPROM nicht so weit verbreitet wie der serielle EEPROM oder der Flash-Speicher.
Fehlermodi für EEPROM
Wie bei allen Computern und elektronischen Geräten sind auch EEPROM-Chips nicht vor Ausfällen geschützt. Es gibt zwei Hauptmodi, in denen EEPROM-Geräte versagen können:
– Datenerhaltungsmodus – Während eines Überschreibvorgangs bleiben die Bitzellen im EEPROM in einem programmierten Zustand stecken. Dies geschieht, weil der FGT gefangene Elektronen ansammelt. Da immer mehr Elektronen eingefangen werden, kann der Schwellenwert für den “Nullzustand” nicht mehr erkannt werden, und die Zellen bleiben dauerhaft im programmierten Zustand, was zum Ausfall des Chips führen kann. Daher geben die EEPROM-Hersteller eine Mindest- und eine Höchstzahl von Wiederbeschreibungszyklen an.
– Datenhaltemodus – Die EEPROM-Architektur ist so aufgebaut, dass die in das schwebende Gate injizierten Elektronen durch den Isolator driften können, der kein idealer Isolator ist. Dieses Schweben führt zu einem Ladungsverlust, der einige Daten löscht und die Speicherzelle in ihren gelöschten Zustand zurückversetzt. Aus diesem Grund garantieren die Hersteller eine begrenzte Datenspeicherung für eine bestimmte Anzahl von Jahren, z. B. 10 Jahre. Auch Umweltfaktoren wie die Temperatur können die Datenerhaltungszeit eines EEPROMs verringern.
EEPROMs - Vorteile und Nachteile
Einer der größten Vorteile des EEPROMs ist, dass es viele Male umprogrammiert werden kann. Die gespeicherten Daten sind nicht flüchtig und können Byte für Byte gelöscht werden. Und da das Löschen elektrisch erfolgt, geht es fast augenblicklich. Im Gegensatz zu EPROMs müssen EEPROM-Chips zum Ändern nicht aus dem Computer entfernt werden. Trotz dieser Vorteile hat EEPROM auch einige Nachteile. Sie sind teurer als PROMs und EPROMs und haben eine begrenzte Datenspeicherzeit. Darüber hinaus können die Kosten ein Nachteil für Systeme sein, die serielle EEPROM-Chips verwenden. Außerdem sind die Lese-/Schreibzyklen in EEPROM langsamer als in RAM. Um dies zu berücksichtigen, ist es wichtig, die im EEPROM gespeicherten Daten so zu verwenden, dass das System nicht verlangsamt wird. Schließlich sind zum Löschen, Lesen und Schreiben von Daten in oder aus dem EEPROM unterschiedliche Spannungen erforderlich. Neuere EEPROM-Chips enthalten jedoch eine Hochspannungsquelle im Chip selbst, sodass eine separate Hochspannungsquelle nicht mehr erforderlich ist. Da diese Chips mit einer einzigen Quelle betrieben werden können, vereinfacht dies das Design und reduziert die Kosten. Trotz dieser Nachteile sind EEPROMs weit verbreitet, vor allem in Anwendungen, bei denen die Anzahl der Lese-/Schreibzyklen begrenzt ist.
