Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Wieso nennt Atmel diese Dinger "Fuse"?


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von Thomas M. (langhaarrocker)


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Fuse ist das englische Wort für Sicherung. Aber die Fuses der Atmel 
Mikrocontroller haben mit Sicherungen so überhaupt gar nix zu tun. Wieso 
nennen die diese Konfigurationsregister "Fuse"?

von Timmo H. (masterfx)


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von Andreas S. (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill) Benutzerseite


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Der Wikipedia-Artikel stellt das ganze stark verkürzt und auch nicht 
ganz korrekt dar. Früher(tm) gab es die Evolutionsstufen 
ROM->PROM->EPROM->EEPROM->Flash-Rom. Klassische ROMs sind/waren 
maskenprogrammiert, d.h. es gibt/gab ein unveränderliches Grundgerüst 
der elektronischen Schaltung. Ein Kunde, der ein Masken-ROM beim 
Hersteller bestellte, bekam dann einen eigenen Bauteiletyp, bei dem der 
Speicherinhalt in Form einer Metallschicht auf dem Chip eingebracht 
wurde.

Die ersten PROMs wurden in der sog. Fusible-Link-Technik hergestellt, 
d.h. es gab die Möglichkeit, durch kräftige Stromimpulse Kontakte in der 
Metallisierungsschicht irreversibel durchzubrennen. Bei EPROMs ff. 
hingegen wird der Speicherinhalt durch Ladungsträger in sog. Floating 
Gates dargestellt, d.h. nicht durch eine strukturelle Veränderung des 
Speicherbausteins.

Der große Vorteil der Fusible-Link-Technik besteht darin, dass der 
Speicherinhalt auch auf sehr langen Zeitskalen erhalten bleibt. 
Allerdings passierte es wohl auch recht häufig, dass beim Durchbrennen 
auch Kollateralschäden an anderen Strukturen des Speicherbausteins 
entstanden. Daher gab es ordentlich Ausschuss beim Programmieren dieser 
sehr teuren Bausteine. Sehr verbreitet waren bis Mitte der 1980er Jahre 
PROMs wie z.B. 82S23/82S123 mit einer Kapazität von 256 Bit. Nein, nicht 
256 Byte, Kbit, KByte, MBit, GBit, sondern wirklich 256 Bit.

Als mit leichtem zeitlichen Versatz auch EPROMs (electrically 
programmable read-only memory) erhältlich waren, hatte sich der Ausdruck 
"brennen" für das Programmieren eines (x)PROMs schon so sehr etabliert, 
dass er auch für EPROMs beibehalten wurde. Selbst heutzutage wird dieser 
Ausdruck gelegentlich für das Programmieren von Flash-ROMs, 
Microcontrollern oder CPLDs/FPGAs verwendet, obwohl da nichts mehr 
durchgebrannt wird.

Anfangs war bei einem EPROM natürlich der Halbleiterchip der wirklich 
teure Bestandteil, weswegen es sich lohnte, ein teures Keramikgehäuse 
mit sehr aufwändig hergestelltem Quarzglasfenster einzusetzen, um den 
Speicherinhalt mit UV-Strahlung löschen und das EPROM anschließend neu 
programmieren zu können. Im Laufe der Zeit wurde der Halbleiterchip 
jedoch sehr viel billiger als das Gehäuse, so dass dann sog. OTP-EPROMs 
auf den Markt kamen (OTP: one-time programmable). Diese bestanden aus 
einem UV-löschbaren Chip in einem UV-undurchlässigen, billigen 
Kunstoffgehäuse. Wenn man den Inhalt ändern wollte, musste man den 
Baustein wegwerfen oder konnte zumindest noch Bits in einer Richtung 
(üblicherweise 1->0) nachprogrammieren. EPROMs mit UV-durchlässigem 
Kunststoffgehäuse habe ich nur einmal gesehen, und zwar ein 2764 (8 
KByte) von Oki.

EEPROMs (erasable electrically programmable read-only memory) auf Basis 
von Hot-Electron-Speicherzellen waren dann die ersten ohne UV-Strahlung 
löschbaren PROMs. Später kamen dann noch die heute gebräuchlichen 
Flash-Bausteine auf Basis des Fowler-Nordheim-Tunneleffektes hinzu. Für 
manche Sicherheitsanwendungen verzichtet man bei manchen Speicherzellen 
auf die Löschmöglichkeit, d.h. man schafft wieder kleine OTP-Bereiche, 
oder Speicherbereiche, für die man per OTP-Konfigurationszelle einen 
Schreibschutz aktivieren kann. So etwas wird zum z.B. für Seriennummern 
oder zum Aktivieren/Deaktivieren von Peripherieblöcken verwenden, wobei 
das Programmieren schon in der Halbleiterfabrik erfolgt.

Die Bezeichnung "Fuses" ist also eigentlich ein ziemlicher 
Anachronismus, d.h. man hat ihn aus der Zeit der Fusible-Link-ROMs 
übernommen.

: Bearbeitet durch User
von Route_66 H. (route_66)


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Hallo!
Das kommt vom Begriff "Konfusion"=Unordnung, Verwirrung, Chaos, 
Desorganisation, Panik...

Die vielen Threads zu diesem Wort hier im Forum bestätigen es fast 
täglich!
:-))

von Der Andere (Gast)


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Tolle Zusammenfassung Andreas,
da könnte man direkt einen Artikel draus machen.
Danke,

Jetzt muss ich doch glatt mal nachschauen was genau der
Andreas S. schrieb:
> Fowler-Nordheim-Tunneleffektes

ist.
:-)

von Soul E. (souleye) Benutzerseite


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Der Andere schrieb:
> Tolle Zusammenfassung Andreas,
> da könnte man direkt einen Artikel draus machen.
> Danke,

Der Vollständigkeit halber: es gibt auch noch Anti-Fuses.

Fuses ("fusible links") sind Aluminium-Leiterbahnen, die mit kräftigen 
Stromstößen durchgebrannt werden. Dabei spritzt das Aluminium durch die 
Gegend, weswegen das Brennen eines Bipolar-Proms (wie z.B. TBP22L28) 
auch schonmal wegen Kurzschlüssen auf den Nachbarzellen schiefging.

Antifuses ("zener zaps") sind Zenerdioden, die durch Stromstöße in 
Null-Ohm-Widestände verwandelt werden. Die findet man heute noch bei 
Bauteilen mit EEPROM und finalem Schreibschutz-Bit (Hallsensoren, oder 
auch die gute alte Telefonkarte).

von Andreas S. (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill) Benutzerseite


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soul e. schrieb:
> Fuses ("fusible links") sind Aluminium-Leiterbahnen, die mit kräftigen
> Stromstößen durchgebrannt werden. Dabei spritzt das Aluminium durch die
> Gegend, weswegen das Brennen eines Bipolar-Proms (wie z.B. TBP22L28)
> auch schonmal wegen Kurzschlüssen auf den Nachbarzellen schiefging.

So ähnlich hatte ich es oben auch schon beschrieben, allerdings nicht 
explizit auf Aluminium hingewiesen, da dies zur damaligen Zeit das 
(einzige?) Material für Metallisierungslagen war. Auch heutzutage dürfte 
es bei "normalen" ICs nach wie vor der Goldstandard, ähh 
Aluminiumstandard sein.

Der Texas Instruments TBP22L28 ist aber ein ausgesprochen seltener Typ, 
der in relevanten Stückzahlen wohl nur im Apple II zum Einsatz kam. Dort 
wurden aber alternativ auch pinkompatible Bausteine von Harris und MMI 
verwendet, allerdings nur mit den applespezifischen Bezeichnungen 
341-0027-x, 341-0028-x, usw..

> Antifuses ("zener zaps") sind Zenerdioden, die durch Stromstöße in
> Null-Ohm-Widestände verwandelt werden. Die findet man heute noch bei
> Bauteilen mit EEPROM und finalem Schreibschutz-Bit (Hallsensoren, oder
> auch die gute alte Telefonkarte).

In welchen EEPROMs werden denn echte Antifuses eingesetzt?

Viele RAM-Bausteine bestehen intern aus mehreren Speicherblöcken. Um die 
Fertigungsausbeute zu erhöhen, gibt es auch Reserveblöcke. Im Rahmen der 
Fertigung erfolgt dann eine feste Auswahl der tatsächlich verwendeten 
Blöcke. Ist jemandem bekannt, ob bzw. bis zu welcher Zeit hierfür Fuses, 
Antifuses, EEPROM-Zellen oder laserprogrammierte Zellen verwendet wurden 
bzw. werden?

Apropos RAM-Bausteine:
Einige frühere Sinclair-Computer enthielten 32KBit-Speicherbausteine. 
Solche wurden jedoch niemals von der Halbleiterherstellern produziert. 
Sinclair kaufte jedoch die Ausschussware von 64KBit-RAMs und selektierte 
sie nach Bausteinen, bei denen entweder nur die obere oder untere 
Speicherhälfte defekt war. Dementsprechend gab es dann Computer, die nur 
mit dem einen oder anderen Speichertyp bestückt wurden. Die Auswahl 
erfolgte durch einen festen Pegel für die höchste Adressleitung. 
Ersatzweise konnten man natürlich auch vollständig funktionsfähige 4164 
o.ä. einsetzen, aber nur eine Hälfte nutzen.

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


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Gab's übrigens auch in TTL, 74188, 32x8 bit.

Dass Atmel nun genau diese Zellen „Fuses“ nennt, dürfte aber schon
den Grund haben, der bei Wikipedia genannt wird: sie sind nur durch
das Programmierinterface zu ändern (im Falle der Lockbits, die auch
„Lock Fuses“ genannt werden, nur durch Komplettlöschen), nicht aber
aus der Firmware heraus.  Damit erfüllen sie in der Tat eine Funktion,
die ein wenig an eine „Sicherung“ erinnert, man kann beispielsweise
den Watchdog damit erzwingen, ohne dass die Firmware ihn abschalten
könnte.

von Soul E. (souleye) Benutzerseite


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Andreas S. schrieb:

> Der Texas Instruments TBP22L28 ist aber ein ausgesprochen seltener Typ,
> der in relevanten Stückzahlen wohl nur im Apple II zum Einsatz kam.

Genau daher kenne ich ihn auch, ich sammle diese Kisten. TI habe ich als 
Beispiel genannt, weil mir da die Typenbezeichnung direkt einfiel. Die 
Bausteine von MMI, Signetics etc haben aber den gleichen Aufbau und sehr 
ähnliche Programmieralgorithmen.


> In welchen EEPROMs werden denn echte Antifuses eingesetzt?

Ich kenne sie aus Magnetfeldsensoren von Austria Microsystems und 
Melexis.

Und halt die Telefonkarte der Deutschen Bundespost. Die bestand aus 
einem EEPROM mit einer Statemachine. Das wurde mit einem Bitmuster 
befüllt, und das Guthaben wurde abgebucht, indem die einzelnen 
EEPROM-Zellen programmiert wurden. Zum Löschen musste auf einem nicht 
kontaktierten Pad eine Programmierspannung angelegt werden, und nach der 
Initialisierung wurde die Löschschaltung dann mit einer Antifuse 
stillgelegt.

Nach Herauszeichnen des Schaltplanes konnte die Antifuse mit einem 
FIB-Cutter aufgetrennt und das fehlende Pad herausgebonded werden. So 
konnte man das Ding wieder neu "aufladen". Dass sich der Arbeits- und 
Geräteeinsatz für 12 DM Guthaben nichtmal ansatzweise lohnt dürfte klar 
sein, aber begleitend zum Halbleiterpraktikum war das damals (1992) ein 
interessantes Forschungsprojekt.

Nein, Unterlagen habe ich dazu keine mehr, und ja, einer der damals 
Beteiligeten arbeitet heute (oder tat dies zumindest nach seinem Diplom) 
bei dem Chipkartenhersteller.



> Viele RAM-Bausteine bestehen intern aus mehreren Speicherblöcken. Um die
> Fertigungsausbeute zu erhöhen, gibt es auch Reserveblöcke. Im Rahmen der
> Fertigung erfolgt dann eine feste Auswahl der tatsächlich verwendeten
> Blöcke. Ist jemandem bekannt, ob bzw. bis zu welcher Zeit hierfür Fuses,
> Antifuses, EEPROM-Zellen oder laserprogrammierte Zellen verwendet wurden
> bzw. werden?

Antifuses machen am wenigsten kaputt. Lasertrimming ist unbeliebt weil 
Material abgetragen wird, EEPROM-Zellen sind zumindest moderat 
aufwendiger.


> Einige frühere Sinclair-Computer enthielten 32KBit-Speicherbausteine.
> Solche wurden jedoch niemals von der Halbleiterherstellern produziert.
> Sinclair kaufte jedoch die Ausschussware von 64KBit-RAMs und selektierte
> sie nach Bausteinen, bei denen entweder nur die obere oder untere
> Speicherhälfte defekt war. Dementsprechend gab es dann Computer, die nur
> mit dem einen oder anderen Speichertyp bestückt wurden. Die Auswahl
> erfolgte durch einen festen Pegel für die höchste Adressleitung.

Richtig, das war der kleine ZX Spectrum. Apple machte es umgekehrt. Die 
32k-RAMs aus dem 12V Memory Board des Apple /// enthielten zwei 4116er 
Dice in einem Keramikgehäuse. Schön servicefreundlich jeder Chip mit 
eigenem Golddeckelchen.
http://mirrors.apple2.org.za/Apple%20II%20Documentation%20Project/Computers/Apple%20III/Apple%20III/Photos/Apple%20III%20Main%20Memory%20Card%2012V.jpg

: Bearbeitet durch User
von Lothar (Gast)


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Thomas M. schrieb:
> Aber die Fuses der Atmel Mikrocontroller haben mit Sicherungen
> so überhaupt gar nix zu tun

Haben Sie doch: das laufende Programm kann auf diese "Fuses" Register 
nicht zugreifen also z.B. während des Betriebs den Takt nicht ändern. 
Die "Fuses" Register sind also "sicher" gegen fehlerhafte oder 
absichtliche Änderung.

Trotzdem macht das ausser Atmel keiner mehr. Bei Silabs 8051 oder STM 
ARM sind die Konfigurationsregister ganz normale Register, das Programm 
kann also z.B. den Takt während der Laufzeit ändern.

von Andreas S. (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill) Benutzerseite


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Jörg W. schrieb:
> Gab's übrigens auch in TTL, 74188, 32x8 bit.

82S23/82S123 sind auch ein TTL-Bausteine und sogar pinkompatibel zum 
7488/74188. Inwiefern sich die Programmieralgorithmen unterscheiden, ist 
mir nicht bekannt.

> Dass Atmel nun genau diese Zellen „Fuses“ nennt, dürfte aber schon
> den Grund haben, der bei Wikipedia genannt wird: sie sind nur durch
> das Programmierinterface zu ändern (im Falle der Lockbits, die auch
> „Lock Fuses“ genannt werden, nur durch Komplettlöschen), nicht aber
> aus der Firmware heraus.  Damit erfüllen sie in der Tat eine Funktion,
> die ein wenig an eine „Sicherung“ erinnert, man kann beispielsweise
> den Watchdog damit erzwingen, ohne dass die Firmware ihn abschalten
> könnte.

Naja, diese Argumentation ist schon reichlich an den Haaren 
herbeigezogen. Ohne die Historie an PROM-Fuses würden die Lockbits 
einfach Lockbits heißen.

von Andreas S. (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill) Benutzerseite


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soul e. schrieb:
> aber begleitend zum Halbleiterpraktikum war das damals (1992) ein
> interessantes Forschungsprojekt.

OHHH, dann kennen wir uns vermutlich persönlich! Gehe ich recht in der 
Annahme, dass Ihr K.E., J.A. und C.R. seid?

von Andreas S. (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill) Benutzerseite


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Lothar schrieb:
> Trotzdem macht das ausser Atmel keiner mehr.

Doch, beim STM ST8 kann der UBC auch nur von außen programmiert werden.

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


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Lothar schrieb:
> Trotzdem macht das ausser Atmel keiner mehr.

Konfigurationsregister hat doch nicht zwingend was mit Fuse zu tun.

Auch bei „Atmel“ gibt es genügend Controller, deren Takt man zur
Laufzeit umstellen kann, trotzdem haben sie noch Fuses, bpsw. bei
den ARMs halt Security (Lock bit) oder die Entscheidung, ob der
Bootloader oder der Flash gebootet werden soll.

von Soul E. (souleye) Benutzerseite


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Andreas S. schrieb:

> OHHH, dann kennen wir uns vermutlich persönlich! Gehe ich recht in der
> Annahme, dass Ihr K.E., J.A. und C.R. seid?

Nein, G.F., M.B., O.S. und P.S. Seinerzeit RWTH Aachen.

von Tilo R. (joey5337) Benutzerseite


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Andreas S. schrieb:
> Als mit leichtem zeitlichen Versatz auch EPROMs (electrically
> programmable read-only memory) erhältlich waren, hatte sich der Ausdruck
> "brennen" für das Programmieren eines (x)PROMs schon so sehr etabliert,
> dass er auch für EPROMs beibehalten wurde.

Hallo Andreas,
schöner Text :-)

Ich habe das E in EPROM allerdings als "Erasable" in Erinnerung. Als 
Neuerung zum nicht löschbaren, aber auch schon elektrisch beschreibbaren 
Fuse-ROM

EEPROM dann für Electrically Erasable Programmable ROM, als Neuerung zur 
UV-Löschung.

von breite Masse (Gast)


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Ich möchte mich anschließen.
Andreas dein Text ist wirklich toll, sehr verständich geschrieben und 
fundiert.
Der sollte unbedingt in ein Wiki.
Vieleicht hier unter Bauteile / Nichtflüchtiger Speicher?

von Jobst M. (jobstens-de)


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Beim MSP430 gibt es noch eine echte Fuse zum abbrennen. Danach ist 
keinerlei Programmierung etc. mehr möglich.


Gruß

Jobst

von Andreas S. (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill) Benutzerseite


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Tilo R. schrieb:
> schöner Text :-)

Danke! ;-)

> Ich habe das E in EPROM allerdings als "Erasable" in Erinnerung. Als
> Neuerung zum nicht löschbaren, aber auch schon elektrisch beschreibbaren
> Fuse-ROM
>
> EEPROM dann für Electrically Erasable Programmable ROM, als Neuerung zur
> UV-Löschung.

Ja, Du hast völlig recht. Ich habe mich an der Stelle vertippt, genauer 
gesagt, zunächst Electrically Erasable geschrieben, den Fehler bemerkt 
und dann das falsche Wort wieder entfernt.

von Clemens L. (c_l)


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Jobst M. schrieb:
> Beim MSP430 gibt es noch eine echte Fuse zum abbrennen.

Allerdings nur in den älteren Familien (1xx, 4xx, 2xx). Alles neuere 
(5xx, 6xx, FR) hat eine "electronic fuse", was einfach ein spezieller 
Wert im Flash ist.

von Hp M. (nachtmix)


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Thomas M. schrieb:
> Fuse ist das englische Wort für Sicherung.

Weil "to fuse" auf englisch "schmelzen" heißt.
Eine Fuse ist also eigentlich eine Schmelzsicherung.
Wie daraus eine Programmiermöglichkeit entstand wurde weiter oben ja 
schon erklärt.

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