Правительство Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Национальный исследовательский университет
«Высшая школа экономики»
Московский институт электроники и математики Национального
исследовательского университета "Высшая школа экономики"
Факультет электроники и телекоммуникаций
Кафедра радиоэлектроники и телекоммуникаций
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
(дипломный проект)
На тему Флэш-накопитель с информационным дисплеем (Flash-drive with information display)
Студент группы № Р-91
Гречко Алесей Андреевич
(Ф.И.О.)
Руководитель ВКР
Профессор, доц. Жаднов В.В.
(должность, звание, Ф.И.О.)
Консультант по ВКР
Ст. Преподаватель, Богачёв К.А.
(должность, звание, Ф.И.О.)
Москва, 2013
Аннотация
Целью данного дипломного проекта было создание флэш-накопителя с информационным дисплеем, отображающим информацию о свободной памяти и остаточном ресурсе. В проделанной работе рассмотрены вопросы разработки и анализа принципиальной схемы, выбор и обоснование элементной базы, выбор материала для изготовления печатного узла и способ изготовления платы. Были проведены следующие расчёты: расчёт параметров печатных проводников. расчёт электрических параметров. Также было проведено моделирование на тепловые и механические воздействия в подсистеме АСОНИКА-ТМ.
Перечень сокращений
NOR-Not OR (с англ. НЕТ-ИЛИ)
NAND- NOT AND (с англ. НЕТ-И)
DRAM - Dynamic random access memory (с англ. Динамическая память с произвольным доступом)
CHE — channel hot electrons ( с англ. Инжекция горячих электронов)
USB- Universal Serial Bus (с англ. Универсальная последовательная шина)
SPI- Serial Peripheral Interface(с анг. Последовательный периферийный интерфейс)
vLDO- very Low DropOut (с англ. Очень малое падение напряжения)
AC- alternating current (с англ. переменный ток)
DC- direct current (англ. постоянный ток)
АЛУ - арифметико-логического устройство
ОЗУ- оперативное запоминающее устройство
USB SIE- Serial Interface Engine(с англ. Серийный цифровой интерфейс)
SMD- surface mounted device ( c англ. прибор монтируемый на поверхность)
ЭМС- Электромагнитная совместимость
РЭА- радиоэлектронная аппаратура
Оглавление
1
|
Специальная часть
|
8
|
1.1
|
Основные особенности флэш-накопителя
|
10
|
1.2
|
Анализ принципиальной схемы
|
21
|
1.3
|
Анализ принципов работы устройства
|
23
|
1.4
|
Выбор элементной базы
|
26
|
2
|
Конструкторско-технологическая часть
|
41
|
2.1
|
Анализ требований к конструкции устройства
|
42
|
2.2
|
Обеспечение конструкторских мероприятий по обеспечению электромагнитной совместимости
|
42
|
2.3
|
Обоснование конструкции печатного узла
разработка требований к конструкции устройства
|
44
|
2.4
|
Выполнение конструкторских расчётов
|
49
|
2.5
|
Разработка мероприятий по защите компонентов и узлов от воздействия статического электричества на этапе сборки и настройки аппаратуры
|
63
|
2.6
|
Выбор и обоснование технологического процесса пайки при сборке печатного узла
|
65
|
3
|
Охрана труда
|
68
|
3.1
|
Защита оператора ПК от электромагнитных воздействий
|
69
|
4
|
Экологическая часть
|
73
|
4.1
|
Особенность перехода на бессвинцовую пайку
|
74
|
5
|
Экономическая часть
|
76
|
5.1
|
Анализ рынка аналогичных устройств
|
77
|
5.2
|
Расчет себестоимости продукции
|
79
|
1. СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
ВВЕДЕНИЕ
На сегодняшний день флэш-накопитель является самым популярным средством переноса информации. Кроме того, флэш-накопитель используется не только в качестве самостоятельного устройства, но и как составная часть mp3 плееров, сотовых телефонов, микроконтроллеров и ещё целого ряда устройств.
В данной работе рассматривается проектирование флэш-накопителя с информационным дисплеем. Данное устройство не имеет аналогов на рынке и является собственной разработкой. Основной акцент поставлен на оригинальность и полезный функционал устройства. На дисплее отображается информация об остаточном ресурсе накопителя и количестве свободной памяти. Главный принцип при построении устройства заключается в простоте и функциональности, поэтому разрабатывался не сам флэш-накопитель, а только устройство вывода на экран информации о количестве свободной памяти и остаточном ресурсе. Это намного облегчит и удешевит разработку.
1.1. Основные особенности флэш-накопителя
Японец Фудзе Масуока в 1984 году, будучи сотрудником компании Toshiba, сделал гениальное открытие , что впоследствии перевернуло весь мир электронных устройств. В настоящее время открытию флэш- паяти уделяется ничуть не меньшее внимание, чем двадцать лет назад.
Существует большое количество различных версий о происхождении слова «флэш», однако, на мой взгляд, оно происходит от английского flash, то есть быстрый, мгновенный.
Первыми потенциал в разработке японца, увидела американская компания Intel, и примерно через год выпустила чип для коммерческого использования построенные на NOR архитектуре. Уже через год, компания Toshiba анонсировала новый вид архитектуры NAND, которая не имела принципиальных отличий от NOR. Спустя 29 лет после изобретения флэш-памяти ни один мобильный телефон, ни один мп3 плеер не обходился без этого изобретения. Если взглянуть более детально, то память микроконтроллера также использует флэш архитектуру. То есть можно сделать вывод, что абсолютно любая электроника, включая ту, где на первый взгляд кажется не используется память, например, компьютерная клавиатура, тем не менее использует флэш-память так как ни один микроконтроллер не сможет без неё обойтись.
Главное преимущество носителя информации на транзисторах заключается в отсутствии движущихся частей, что значительно снижает массогабаритные показатели устройств. Так же это в значительной степени снизило потребляемую энергию. По разным оценкам информация на флэш-накопителе может храниться около 10 лет.
В современном мире флэш-накопители вытесняют своих конкурентов: CD диски и жёсткие диски, так как менее подвержены механическим воздействиям, меньше по размерам, выше скорость чтения и записи.
С каждым годом инженерам удаётся всё дальше продвинуться в степени интеграции и уменьшения размеров кристалла, что позволяет при том же размере устройства увеличить объём памяти. Ещё одно направление работы, это увеличение количества байтов хранящихся в одном кристалле.
Организация флэш-памяти
Ячейки памяти бывают на одном или нескольких транзисторах.
В классическом варианте каждая отдельная ячейка хранит не больше одного бита информации, при этом состоит из полевого транзистора, который обладает плавающим затвором. Наличие или отсутствие заряда на транзисторе означает или кодирует бит информации(см. рис. 1).
Рисунок 1. Ячейка флэш-памяти
Во время записи существует два способа, что бы поместить заряд на затвор
Первый способ: подвижные носители заряда в твердотельном проводнике, становятся "горячими" при протекании электрического тока под действием сильного поля - данный метод называется метод инжекции "горячих электронов".
Второй способ: методом туннелирования электронов-преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда её полная энергия (остающаяся при туннелировании неизменной) меньше высоты барьера. Туннельный эффект — явление исключительно квантовой природы, невозможное в классической механике.
Стирание содержимого ячейки (снятие заряда с «плавающего» затвора — плавающий затвор представляет собой область поликремния, окруженную со всех сторон диэлектриком, то есть он электрически не связан с другими электродами и его потенциал «плавает».) Производится всегда единственным способом — методом тунеллирования.
Как правило, наличие заряда на транзисторе понимается как логический ноль «0», а его отсутствие — как логическая единица «1».
Общий принцип работы ячейки флэш-памяти.
Рассмотрим простейшую ячейку флэш-памяти на одном n-p-n транзисторе. Такого типа ячейка чаще всего использовались во flash- памяти с "НЕТ-ИЛИ" архитектурой.
Работа транзистора зависит от количества электронов на «плавающем» затворе. «Плавающий» затвор имеет ту же роль, что и конденсатор в DRAM, то есть хранит значение записанное в ячейке.
Помещение заряда на «плавающий» затвор в такой ячейке осуществляется методом инжекции «горячих» электронов (CHE — channel hot electrons), а снятие заряда производится методом квантомеханического туннелирования Фаулера-Нордхейма (Fowler-Nordheim).
Эффект туннелирования —использует волновые свойства электрона. Эффект состоит в прохождении электроном потенциального барьера малой «толщины». Для наглядности можно представить себе структуру, состоящую из двух проводящих областей, разделенных тонким слоем диэлектрика. Пройти этот слой за счёт только своей энергии электрон не может, на это её не хватит. Но возможно создать определённые внешние условия (соответствующее напряжение и т.п.) электрон проходит слой диэлектрика (туннелирует сквозь него), создавая электрический ток (см. рис. 2).
Рисунок 2. Считывание данных, в отсутствие заряда
на «плавающем» затворе
Как только происходит считывание данных, при отсутствие заряда на «плавающем» затворе, под воздействием положительного поля на управляющем затворе образуется n- канал в подложке между стоком и истоком, и возникает электрический ток (рисунок 2).
При считывании данных, в отсутствие заряда на «плавающем» затворе, под воздействием положительного поля на управляющем затворе образуется n-канал в подложке между истоком и стоком, и возникает ток (рисунок 2).
Наличие заряда на «плавающем» затворе меняет вольтамперные характеристики транзистора таким образом, что при обычном для чтения напряжении канал не появляется, и тока между истоком и стоком не возникает (см. рис. 3).
Рисунок 3. Считывание данных при наличии
заряда на «плавающем» затворе
При записи данных в ячейку на сток и управляющий затвор подаётся высокое напряжение (причём на управляющий затвор напряжение подаётся приблизительно в два раза выше). «Горячие» электроны из канала инжектируются на плавающий затвор и изменяют вольтамперные характеристики транзистора (см. рис. 4).
Рисунок 4. Запись данных в ячейку флэш-памяти
При стирании данных в ячейке высокое напряжение подаётся на исток. На управляющий затвор (опционально) подаётся высокое отрицательное напряжение. Электроны туннелируют на исток (см. рис. 5).
Рисунок 5. Стирание данных из ячейки флэш-памяти
Многоуровневые ячейки
Не так давно, многие производители начали выпускать микросхемы, где одна ячейка хранит несколько бит информации. Технология хранения двух и более бит в одной ячейке получила название MLC (multilevel cell —многоуровневая ячейка – см. рис. 6).
Рисунок 6. Схемы одноуровневой и многоуровневой ячеек
В технологии MLC используется аналоговая природа ячейки памяти. Как известно, обычная однобитная ячейка памяти может принимать одно из двух состояний — «0» или «1». Во флэш-памяти эти два состояния различаются по величине заряда, помещённого на «плавающий» затвор транзистора. В отличие от «обычной» флэш-памяти, MLC способна различать более двух величин зарядов, помещённых на «плавающий» затвор, и, соответственно, может принимать большее число состояний. При этом каждому состоянию в соответствие ставится определенная комбинация значений бит.
Во время записи на «плавающий» затвор помещается количество заряда, соответствующее необходимому состоянию. От величины заряда на «плавающем» затворе зависит пороговое напряжение транзистора. Пороговое напряжение транзистора можно измерить при чтении и определить по нему записанное состояние, а значит и записанную последовательность бит.
Основные преимущества MLC микросхем:
-При равном размере микросхем и одинаковом техпроцессе «обычной» и MLC-памяти, последняя способна хранить больше информации. На основе MLC возможно создать микросхему большую по объёму памяти, чем при одноуровневой ячейки
Основные недостатки MLC:
-Снижение надёжности, по сравнению с однобитными ячейками, и, соответственно, необходимость внедрения сложного механизма исправления ошибок.
-Быстродействие микросхем на основе MLC ниже, чем у микросхем на основе однобитных ячеек.
-Хотя размер MLC-ячейки такой же, как и у однобитной, дополнительно требуется место на специфические схемы чтения/записи многоуровневых ячеек.
Доступ к флэш-памяти
Существует три основных типа доступа:
-обычный (Conventional): произвольный асинхронный доступ к ячейкам памяти;
-пакетный (Burst): синхронный, данные читаются параллельно, блоками по 16 или 32 слова. Считанные данные передаются последовательно, передача синхронизируется. Преимущество перед обычным типом доступа - экономия времени при быстром последовательном чтении данных. Недостаток — медленный произвольный доступ;
-страничный (Page): асинхронный, блоками по 4 или 8 слов. Преимущества: очень быстрый произвольный доступ в пределах текущей страницы. Недостаток: относительно медленное переключение между страницами.
Архитектура флэш-памяти
Есть два основных типа архитектур NOR и NAND.
Они очень похожи друг на друга, отличие заключается в том, что NOR расшифровывается "Или-не", а NAND "и-не".
NOR (NOT OR, ИЛИ-НЕ)
Обладает параллельным интерфейсом и произвольным режимом чтения и записи.
Преимущества: высокая скорость чтения и записи при доступе к произвольному биту информации.
Недостатки: невозможно технологически уменьшить размер транзистора.
Плохо масштабируется, так как имеет большой размер ячейки.
Единственный тип памяти, работающий на двух разных напряжениях. Идеально подходит для хранения кода программ (PC BIOS, сотовые телефоны), идеальная замена обычному EPROM (см.рис. 7).
Рисунок 7 – Тип архитектуры NOR
Основные производители: AMD, Intel, Sharp, Micron, Ti, Toshiba, Fujitsu, SGS-Thomson, STMicroelectronics, SST, Samsung, Winbond, Macronix.
Программирование: методом инжекции "горячих" электронов.
Стирание: туннеллированием FN.
Доступ произвольный, но небольшими блоками (наподобие кластеров жёсткого диска). Последовательный интерфейс. Память подходит для задач, требующих произвольного доступа (см. рис. 8).
Рисунок 8. Тип архитектуры NAND
Преимущества: небольшой размер блока, быстрая запись и стирание.
Недостатки: невозможность побайтной записи, относительно медленный произвольный доступ.
Наиболее подходящий тип памяти для приложений, ориентированных на блочный обмен: MP3 плееров, цифровых камер и в качестве заменителя жёстких дисков.
Основные производители: Toshiba, AMD/Fujitsu, Samsung, National
Программирование: туннелированием FN.
Стирание: туннеллированием FN.
Доступ к ячейкам памяти последовательный, архитектурно напоминает NOR и NAND, комбинирует их лучшие свойства. Небольшой размер блока, возможно быстрое мультиблочное стирание. Подходит для потребностей массового рынка (см. рис. 9).
Рисунок 9. Тип архитектуры "AND DiNOR"
Тип памяти, комбинирующий свойства NOR и NAND. Доступ к ячейкам произвольный. Использует особый метод стирания данных, предохраняющий ячейки от пережигания (что способствует большей долговечности памяти). Размер блока в DiNOR всего лишь 256 байт (см. рис. 10).
Рисунок 10. Тип архитектуры DiNOR
Основные производители: Mitsubishi Electric, Hitachi, Motorola.
Программирование: туннелированием FN.
Стирание: туннеллированием FN. [9]
|
