О компонентах памяти написано достаточно много (и даже более). Но прогресс не стоит на месте, в том числе и память. Поэтому, учитывая современные тенденции развития информационных технологий, рассмотрим память для мобильных систем, одними из важнейших параметров которой являются надежность и быстродействие.

Надежность любой микросхемы памяти - способность сохранять данные, причем не только в рабочем режиме, но и в критических ситуациях (броски питания, шумы и т.п.). Существенную роль в этом играет также технология производства (об этом чуть ниже). Очевидно, что максимальную надежность может дать только энергонезависимая память. Выбрав из энергонезависимой памяти самую быструю, получим то, что необходимо. Но это решение "в лоб" не всегда дает необходимый результат. К этому следует добавить стоимость, организацию записи и чтения и т.д.

Сейчас выбор ИС энергонезависимой памяти достаточно широк: nvSRAM со встроенной батареей (Dallas Semiconductor), flash (Intel, AMD), EEPROM (Atmel, ST), FRAM (Ramtron), nvSRAM (Simtek). Каждый тип памяти имеет свои достоинства, но и свои недостатки. Например, в некоторых электронных изделиях нельзя применять память со встроенным источником питания, поблочная запись данных во flash ограничивает быстродействие (и, соответственно, степень надежности сохранности данных). Технология плавающего затвора, на основе которой изготавливаются flash и EEPROM, также налагает ограничения на надежность. Использование FRAM ограничено скоростью записи и ценой. Для наглядности можно обратиться к таблице 1, где приведены все виды памяти.

Таблица 1. Сравнительные характеристики памяти

ROM PROM EPROM Flash EEPROM DRAM SRAM FRAM nvSRAM
Энергонезависимость + + + + + + +
Неограниченный срок службы + + +
Произвольный доступ + + + +
Необходимость регенерации +
Запись менее 35 нс + + +
Чтение мениее 35 нс + + +
Возможность перепрограммирования в системе + + + + + +
Побайтное программирование + + + + +

В энергонезависимой памяти nvSRAM (Simtek) (в дальнейшем - просто nvSRAM) устранены все (или почти все) проблемы, свойственные другим типам памяти, в том числе и на технологическом уровне. Главное достоинство nvSRAM - высочайшая надежность (рекламное сравнение с надежностью стального капкана вполне оправдано), которая достигнута, с одной стороны, за счет схемотехнического решения, и, с другой стороны, - применением технологии QuantumTrap™ ("квантовый капкан").

Технология Quantum Trap™ используется при формировании элементов EEPROM вместо технологии плавающего затвора и является важным фактором, определяющим высокую надежность nvSRAM.

Технология плавающего затвора - основа производства flash-памяти и традиционных EEPROM. Общим для всех вариантов этой технологии является перенос заряда через оксидный слой на проводящий плавающий затвор, где и происходит его запоминание. Относительно большие локальные токи или электрические поля, используемые при стирании/программировании, приводят к деградации оксидного слоя. Это приводит, в зависимости от варианта технологии, или к "залипанию" битов в состоянии "1" или - утечке электронов с плавающего затвора на подложку через деградировавший слой оксида.

Эти проблемы устранены в технологии QuantumTrap™, где для хранения заряда применяются значительно меньшие токи и электрические поля. Такое стало возможно благодаря очень тонкому слою окисла для накачки заряда и изолирующему слою для хранения заряда. Как следствие, в приборах на базе технологии QuantumTrap™ нет утечки электронов на подложку. Пробой слоя оксида в таком приборе приведет только к небольшой локальной утечке.

Что такое nvSRAM?

Это высокоскоростная энергонезависимая память с произвольным доступом (по ГОСТУ - запоминающее устройство с произвольной выборкой ЗУПВ), созданная на основе стандартной SRAM, в которую интегрированы элементы EEPROM, выполненные по технологии QuantumTrap™. Реально nvSRAM работает как две независимые памяти - SRAM и EEPROM. Статическая память идентична обычному ЗУПВ,

А параллельный доступ к EEPROM возможен только через SRAM (структурная блок-схема - на рис. 1).

Рис. 1. Блок-схема NV SRAM STK14C88-3

Таблица 2. Семейство энергонезависимой памяти STK

Организация памяти Вид сохранения данных Число выводов Корпус Обозначение
512x8 Аппаратное 28 W STK20C04
2 Kx8 Аппаратное 28 N,P,S STK10C48
2 Kx8 Программное 28 N,P,S STK11C48
2 Kx8 AutoStore 28 N,P,S,W STK22C48
2 Kx8 AutoStore 28 W STK25C48
8 Kx8 Аппаратное 28 C,L,P,S STK10C68
8 Kx8 Программное 28 C,L,P,S STK11C68
8 Kx8 AutoStore 28 C,L,P,S,W STK12C68
8 Kx8 AutoStore 28 P,S,W STK15C68
8 Kx8 AutoStorePlus 28 W STK16C68
32 Kx8 Программное 28 N,P,S,W STK11C88
32 Kx8 AutoStore 32 C,L,N,W STK14C88
32 Kx8 AutoStore 28 N,P,S,W STK15C88
32 Kx8 AutoStore 28 W STK16C88
128 Kx8 AutoStore 32 D STK25CA8
C=керамический DIP (300 мил); P=пластиковый DIP (300 мил); D=SOIC (350 мил); S=SOIC (350 мил); L=LLC; N=SOIC (300 мил); W=пластиковый DIP (600 мил).

При включении питания автоматически запускается режим восстановления данных RECALL, при котором все данные передаются из EEPROM в статическую память при достижении напряжения питания определенного уровня. Запись и чтение SRAM никак не затрагивают содержимое EEPROM (отличное ПЗУ с перезаписью!). Восстановление данных из EEPROM в SRAM можно инициировать и по команде. Максимальное время параллельной передачи всех данных из EEPROM в статическую память не превышает 20 мкс.

При сохранении данных (режим STORE) данные передаются из SRAM в EEPROM. Режим STORE может быть реализован (в зависимости от вида ИС, см. таблицу 2) автоматически (при пропадании питания), программным путем или аппаратным способом. Чтобы сохранить все данные (из SRAM в EEPROM) требуется всего 10 мс.

В некоторых приборах реализована функция AutoStore™, при которой сохранение данных происходит в фоновом режиме при падении напряжения питания. В ИС семейств STK15Схх и STK25Схх для выполнения режима AutoStore™ используется системный конденсатор. В тех случаях, когда скорость падения напряжения питания велика или неопределенна, в семействах STK12Схх, STK14Схх и STK22Схх необходим внешний конденсатор небольшой емкости для гарантированного сохранения данных. В серии STK16Схх AutoStorePlus во внешнем конденсаторе нет необходимости - он уже встроен в ИС.

Программное сохранение данных (STORE) и восстановление данных (RECALL) реализуется чтением последовательности из шести определенных адресов, тактируемых сигналом с вывода доступа кристалла. Эти функции могут быть использованы для хранения определенного кода и данных или программного перезапуска системы после записи в SRAM. Режимы программных STORE и RECALL имеются в STK11Схх и в большинстве приборов с функцией AutoStore.

Аппаратное сохранение данных реализовано в семействах STK10Схх, STK12Схх, STK14Схх.

Архитектура nvSRAM

Как уже отмечалось выше, она идентична асинхронной статической памяти с произвольной выборкой (рис. 1). При обычном режиме работы нет никаких различий между статической памятью и nvSRAM. Различие появляется при передаче данных из матрицы SRAM в матрицу EEPROM (режим STORE) и обратно (RECALL). Реально, две матрицы физически объединены в одну.

При подаче питания аналоговая схема управления питанием Power Control отслеживает уровень питания и запускает автоматический самосинхронизирующийся режим восстановления данных RECALL. Данные, таким образом, сразу доступны пользователю. Программное восстановление данных реализуется схемой Software Detect на основе ПЛМ, которая постоянно проверяет адреса, тактируемые сигналом на выводе Е. Когда определяется заданная последовательность адресов, то статическая память изолируется от системы, данные в ней стираются и записываются данные из EEPROM. Массив данных объемом 256К переносится из EEPROM в SRAM за 20 мкс (пропускная способность – 13 Гбит/с).

Режим STORE запускается схемой управления питанием Power Control при сбое питания (параллельная передача данных со скоростью 26 Мбит/с) или схемой Software Detect при определенной последовательности адресов.

Восстановление дефектных битов с помощью встроенной схемы резервирования позволяет увеличить выход годных кристаллов.

Основное отличие энергонезависимой памяти Simtek от других энергонезависимых элементов памяти заключается в том, что высоковольтная часть схемы ограничена только блоком управления STORE/RECALL Control c одним ключом. Этот единственный высоковольтный узел – шина из поликремния второго уровня, которая подключается к транзисторам, обеспечивающим энергонезависимый режим. Никакие другие транзисторы матрицы памяти к высокому напряжению не подключены, что никак не отражается на работе стандартных элементов nvSRAM. Результатом такой архитектуры является дополнительная надежность всей памяти в целом, а ограниченное число высоковольтных элементов привлекательно с точки зрения экономии места на кристалле. Существующую схему памяти не потребуется перерабатывать при внедрении технологии Simtek.

В качестве примера рассмотрим микросхему STK14C88. Память STK14C88-3 – быстрое статическое ОЗУ 32Кх8 с энергонезависимым элементом в каждой ячейке памяти (блок-схема приведена на рис. 1). Количество циклов чтения/записи неограниченно, при этом данные в энергонезависимых элементах сохраняются достаточно долго (100 лет).

STK14C88-3 работает в двух различных режимах: режиме памяти и энергонезависимом режиме. В режиме памяти микросхема функционирует как обычное быстродействующее статическое ОЗУ. В энергонезависимом режиме данные передаются из памяти в энергонезависимые элементы (режим хранения STORE) или из энергонезависимых элементов в память (режим восстановления RECALL). При этом все функции памяти заблокированы.

Устранение помех. Поскольку STK14C88-3 является быстродействующей памятью, то для надежной работы необходим ВЧ-конденсатор порядка 0,1 мкФ между V cap и V ss , причем выводы конденсатора и дорожки печати должны быть максимально короткими. Требования к разводке питания, «земли», и сигналов те же, что и для всех быстрых КМОП ИС.

Чтение памяти. Цикл чтения READ для STK выполняется, когда на E и G низкий уровень, а на W и HSB – высокий. Доступ к конкретному байту данных из 32768 определяется адресом на выводах А0-14. Если чтение инициализируется адресным переходом (цикл чтения READ#1, рис. 2), то действительное значение появится на выходе через t AVQV . При инициализации чтения E или G (цикл чтения READ#2, рис. 3), данные появятся на выходе с задержкой t ELQV или t GLQV (с большей задержкой из двух). Состояние на выходе будет сохраняться до тех пор, пока не произойдет изменение адреса или на выводах E или G не установится высокий уровень или на W или HSB – низкий.


Рис. 2. Временная диаграмма записи данных READ#2


Рис. 3. Временная диаграмма записи данных READ#2

Запись в память. Если на E и W низкий уровень, а на HSB – высокий, то при этих условиях выполняется запись данных в память (WRITE). Адрес должен быть установлен до начала и оставаться неизменным до конца цикла записи или пока на E или W не установиться высокий уровень. Данные на выводах входа/выхода DQ0-7 будут записаны в память при условии, что они остаются неизменными на этих выводах t DVWH (если запись управляется W, рис.4) или tDVEH (для управления по E, рис.5).


Рис. 4. Временная диаграмма записи данных (управление по W)


Рис. 5. Временная диаграмма записи данных (управление по Е)

Чтобы на шине данных не возникало эффекта «состязания», рекомендуется удерживать на выводе G высокий уровень во время записи. Если на G будет низкий уровень, то встроенная схема отключит выходные буферы через tWLQZ после перехода W в низкий уровень (со всеми вытекающими отсюда последствиями).


Рис. 6. Временная диаграмма программной записи/восстановления данных в энергонезависимую память

Программная запись в энергонезависимую память STORE

Кроме автоматической записи данных в энергонезависимую память при сбое питания, в STK14C88-3 предусмотрена возможность программной записи данных (STORE) (в любой момент времени) при помощи шести циклов чтения из специальных адресных ячеек (временная диаграмма на рис.6). Во время этой записи в первую очередь стираются данные предыдущей записи, а затем выполняется программа копирования данных из ОЗУ в энергонезависимую память. При инициализации программной записи операции ввода/вывода запрещаются до окончания цикла. Поскольку при инициализации STORE используется последовательность операций чтения специальных адресов, то важно, чтобы никакие другие операции чтения или записи не вклинились в этот процесс. В противном случае программная запись данных в энергонезависимую память не состоится. Последовательность команд чтения для запуска STORE приведена в таблице 3.

Как только считывается шестой адрес этой последовательности, внешний доступ к ИС блокируется и происходит сохранение данных. Важным моментом такого сохранения данных является использование только операций чтения (какая-либо запись при этом отсутствует, требуется лишь удержание низкого уровня на G). Программный цикл записи завершается через tSTORE, после чего оперативная память снова готова к записи и чтению.

Программное восстановление данных из энергонезависимой памяти RECALL аналогично программной записи: для инициализации выполняется чтение определенных адресов (таблица 4).

Таблица 3. Инициализация программной записи данных

№ Считываемый адрес Действие
1 0E38 (hex) Чтение адреса
2 31C7 (hex) Чтение адреса
3 03E0 (hex) Чтение адреса
4 3C1F (hex) Чтение адреса
5 303F (hex) Чтение адреса
6 0FC0 (hex) Запуск STORE

Таблица 4. Инициализация программного восстановления данных

№ Считываемый адрес Действие
1 0E38 (hex) Чтение адреса
2 31C7 (hex) Чтение адреса
3 03E0 (hex) Чтение адреса
4 3C1F (hex) Чтение адреса
5 303F (hex) Чтение адреса
6 0C63 (hex) Запуск RECALL

Операция RECALL выполняется за два шага. Сначала очищается ОЗУ, а затем происходит перенос информации из энергонезависимой памяти в ячейки оперативной памяти за время t RECALL , после чего можно снова читать и писать. Учитывая, что при восстановлении данные в энергонезависимой памяти не изменяются, то их можно восстанавливать неограниченное число раз (как вариант ПЗУ со 100-летним сроком хранения).

Режим автосохранения данных AutoStore

В режиме нормального автосохранения данных происходит заряд конденсатора, подсоединенного к выводу VCAP, который используется для выполнения однократной записи данных в энергонезависимую память. Если напряжение на V CAP станет ниже V SWITCH , то схема управления автоматически отключит вывод V CAP от питания V CCX и запустит режим сохранения данных (рис.7). На рис. 8 показана схема подключения конденсаторов для автоматического сохранения данных, емкость накопительного конденсатора должна быть в пределах 68-220 мкФ.


Рис. 7. Временная диаграмма режима автосохрания данных Autostore


Рис. 8. Схема подключения накопительного конденсатора в режиме автосохрания данных Autostore

Чтобы избежать нежелательных записей в энергонезависимую память, вывод HSB устанавливается в низкий уровень (подключается к V CAP через внешний резистор), при этом будет игнорироваться команда записи WRITE. Это, кстати, является для системы сигналом, что работает AutoStore. Наличие или отсутствие команды записи на программное сохранение данных никак не влияет.

В случае, если напряжение питания падает быстрее, чем 20 В/мкс, то между выводом V CCX и источником питания необходимо установить резистор 1 Ом для устранения броска тока между V CCX и V CAP .

Аппаратная запись в энергонезависимую память

Для аппаратной записи данных в энергонезависимую память используется вывод HSB (рис.9). Помимо этого, этот вывод работает как индикатор активного режима сохранения данных (независимо от вида этого режима).

Если при включении нескольких STK14C88-3 применяется один конденсатор большой емкости, то вывод HSB используется для их синхронизации.


Рис. 9. Временная диаграмма аппаратной записи в эенргонезависимую память

Память NvSRAM «едина в трех лицах»: заменяет память со встроенным питанием, flash и EEPROM.

Использование nvSRAM вместо памяти со встроенным питанием позволяет:

  • избавиться от контактных сбоев; потери данных при коротком замыкании или электрических помехах;
  • головной боли, связанной с установкой (не нужны специальные контакты) ИС и контролем питания;
  • быстрее читать/записывать данные;
  • устанавливать микросхему прямо на плату;
  • иметь память, не только совместимую по выводам со стандартной batRAM, но и в корпусе miniDIP и SMD.

При замене Flash-памяти:

    легкое и быстрое сохранение данных; побайтная запись и чтение; отсутствие проблем плавающего затвора; однополярное питание; все программы и данные сохраняются за один цикл STORE пльзователем или автоматически при сбое питания; память пограмм, память данных и статическое ЗУПВ в одном корпусе.

В сравнении с EEPROM:

  • не имеет ограничений на число циклов записи;
  • обладает симметричным циклом чтение/запись 20 нс;
  • может сохранить всю матрицу данных при сбое питания с использованием нулевого системного времени;
  • нет проблем плавающего затвора;
  • 100% контроль при сохранении данных (недоступно при технологии плавающего затвора).

Добрый день, друзья!

А вы видели таинственную аббревиатуру «NVRAM», которая мелькает на мониторе при включении компьютера? NVRAM – это одна из необходимых компьютеру «железок», и мы сейчас разберемся — что это за зверь такой и зачем он нужен.

Мы увидим также, как эта штука развивалась и «умнела», а вместе с ней «умнел» и весь компьютер. Для начала рассмотрим

Что такое энергонезависимая память?

NVRAM (Non Volatile Random Access Memory) – общее название энергонезависимой памяти. Энергонезависимая память – это такая, данные в которой не стираются при выключении питания. В противоположность ей есть энергозависимая память, данные в которой исчезают при отключении питания. Т.е. когда питание на микросхему (или модуль) памяти подается, она «помнит» данные, когда перестает подаваться – она их «забывает».

Под понятие «энергонезависимая» подпадает несколько видов памяти. Кстати сказать, память (и энергозависимая, и энергонезависимая) имеется не только в компьютере, но и во всех околокомпьютерных и периферийных устройствах:

  • в принтерах — лазерных, и ,
  • в мониторах,
  • в модемах,
  • графических картах и т.д.

Даже в компьютерных имеются оба вида памяти.

Оба они упакованы в бескорпусную микросхему («капельку»), покрытую компаундом.

Такая конструкция — все «в одном флаконе» — именуется контроллером (от английского «control» — управление) и очень широко применяется в электронике.

Виды энергонезависимой памяти

Один из видов энергонезависимой памяти именуется ROM (Read Only Memory, память только для чтения). В русскоязычной литературе такая память называется ПЗУ (постоянное запоминающее устройство). Данные в микросхему, которая именуется еще англоязычным термином «chip» (чип, кристалл), записываются при изготовлении. Изменить их потом нельзя.

Еще одна разновидность энергонезависимой памяти – PROM (Programmable ROM). Эквивалентный русскоязычный термин – ППЗУ (Программируемое ПЗУ). В такой микросхеме в исходном состоянии во всех ячейках памяти записана одинаковая информация (нули или единицы). С помощью специальной процедуры программирования в ячейки записывается нужная информация.

Происходило это путем пережигания плавких перемычек.

После записи изменить данные в ячейках было нельзя.

Возможность программирования предоставляет гибкость в производстве и использовании. Чтобы записать модифицированную информацию в микросхему, не надо перестраивать технологический процесс производства. Пользователь (точнее, производитель электронной техники) сам записывает нужную ему информацию.

Но однократно программируемая память тоже не всегда хороша. Модифицировать «прошитую» в микросхему информацию нельзя, нужно менять микросхему. Это не всегда удобно и возможно. Поэтому появились многократно программируемые микросхемы. В первых изделиях информация стиралась ультрафиолетовым излучением, для чего использовалась специальная лампа.

В таких микросхемах имелось окошечко, закрытое кварцевым стеклом, которое пропускало УФ излучение. Но все равно это было неудобно, и после научились стирать, и записывать информацию электрическим сигналом. Такую память стали называть EEPROM (Electric Erasable PROM, ЭСППЗУ, электрически стираемое программируемое ПЗУ).

Затем появилась ее разновидность — Flash (флеш) память, которая получила в последние годы очень широкое распространение.

Это и микросхема в компьютере.

Это и всем известные ныне «флэшки» (портативные накопители данных), твердотельные накопители SSD (Solid State Drive), альтернатива электромеханическим винчестерам, карты памяти, применяемые в фотоаппаратах и т.п.

Отметим, что перезаписать информацию в таких накопителях можно ограниченное (хотя и большое) количество раз.

Проблема времени в компьютере

В первых компьютерах не было микросхемы RTS (Real Time Clock, часы реального времени).

Это было неудобно, и потом ее начали устанавливать.

Проблема, которая возникла с RTC в самом начале, заключалась в том, что компьютер работает не 24 часа в сутки. Он включается пользователем в начале рабочего дня и выключается в его конце. Пока компьютер был включен, он «помнил» время, как только его выключали, он время «забывал».

Каждый раз устанавливать время заново было бы очень неудобно. Неудобно было бы и каждый раз возобновлять и другие системные настройки (тип винчестера, источник загрузки и другие). Поэтому придумали встроить в общий корпус микросхему RTC, которая помнила не только время, но и все настройки BIOS Setup, и источник питания – батарею гальванических элементов.

Ячейки памяти RTC представляли собой, по сути, (RAM). Такую память также отнесли к энергонезависимой, так как она не зависела от источника внешнего напряжения. Она была энергонезависимой до тех пор, пока встроенная батарея не «садилась». Такая память была сделана на основе КМОП структур, поэтому потребляла в статическом режиме (режиме хранения) очень небольшой ток, порядка единиц микроампер.

Поэтому встроенной батареи хватало на несколько лет. После чего весь модуль подлежал замене. Существовали конструкции материнских плат с разъемом под такой модуль. И можно было легко выполнить его замену. Но затем технический прогресс продолжил свой неумолимый бег. Число микросхем на материнской плате уменьшалось, а степень их интеграции увеличивалась.

В конце концов пришли к чипсету (набору микросхем), состоящему из 1-2 корпусов, который включал в себя почти все подсистемы материнской платы.

Встраивать в тот же корпус (куда напихано уже много всего) еще и источник напряжения посчитали нецелесообразным.

Такой корпус имеет много выводов. Установка его в разъем усложнила бы конструкцию, увеличила бы ее стоимость и снизила бы надежность.

Поэтому источник питания (3 V литиевый элемент) стали устанавливать отдельно. Это упростило и удешевило плату, так как теперь надо менять только элемент, а не все сразу. Следует отметить, что вначале в качестве источника резервного питания использовались никель-кадмиевые аккумуляторы.

После длительной эксплуатации они могли потечь. И вытекший электролит мог повредить проводники материнской платы. Современные литиевые элементы не текут даже при очень глубоком разряде.

Технология изменилась, но название структуры, хранящей настройки BIOS Setup, осталось прежним – NVRAM. Но теперь, в строгом смысле, она не является энергонезависимой. Ведь ее «энергонезависимость» обеспечивается внешним источником напряжения.

Напомним, что первым признаком того, что элемент 2032 исчерпал свой ресурс, является сброс времени и даты при включении компьютера. Напряжение свежего элемента составляет величину около 3,3 В. По мере истощения его ЭДС падает. И, как только оно снизится (ориентировочно) менее 2,8 В, структура, хранящая настройки, «забудет» их. Заряду литиевые элементы не подлежат.

Что обозначают цифры в маркировке литиевого элемента?

В заключение отметим, что первые две цифры маркировки элемента (20) определяют его диаметр в миллиметрах.

Вторые две – его емкость (способность отдать определенное количество энергии).

Чем больше цифра, тем больше емкость и тем толще элемент. Типовое значение емкости элемента 2032 – 225 мА/ч (миллиампер-часов), элемента 2025 – 160 мА/ч.

Следует отметить, что это максимальные значения. Реальные цифры зависят от сопротивления нагрузки и окружающей температуры. Чем больше сопротивление нагрузки и выше температура (разумеется, до известных пределов), тем больше эквивалентная емкость. Т.е. тем дольше элемент будет питать энергией нагрузку. При пониженной окружающей температуре элемент «садится» быстрее.

Литиевые элементы – очень хорошие источники энергии.

У них высокие показатели удельной энергии, т.е. большое соотношение «энергия/вес» и очень небольшой саморазряд (менее одного процента в год). У свинцовых , например, эти показатели гораздо хуже.

С вами был Виктор Геронда.

До встречи на блоге!

Флэш-память - особый вид энергонезависимой перезаписываемой полупроводниковой памяти.

Энергонезависимая - не требующая дополнительной энергии для хранения данных (энергия требуется только для записи).

Перезаписываемая - допускающая изменение (перезапись) хранимых в ней данных.

Полупроводниковая (твердотельная) - не содержащая механически движущихся частей (как обычные жёсткие диски или CD), построенная на основе интегральных микросхем (IC-Chip).

В отличие от многих других типов полупроводниковой памяти, ячейка флэш-памяти не содержит конденсаторов – типичная ячейка флэш-памяти состоит всего-навсего из одного транзистора особой архитектуры. Ячейка флэш-памяти прекрасно масштабируется, что достигается не только благодаря успехам в миниатюризации размеров транзисторов, но и благодаря конструктивным находкам, позволяющим в одной ячейке флэш-памяти хранить несколько бит информации.

Флэш-память исторически происходит от ROM (Read Only Memory) памяти, и функционирует подобно RAM (Random Access Memory). Данные флэш хранит в ячейках памяти, похожих на ячейки в DRAM. В отличие от DRAM, при отключении питания данные из флэш-памяти не пропадают.

Замены памяти SRAM и DRAM флэш-памятью не происходит из-за двух особенностей флэш-памяти: флэш работает существенно медленнее и имеет ограничение по количеству циклов перезаписи (от 10.000 до 1.000.000 для разных типов).

ROM (Read Only Memory) - память только для чтения. Русский эквивалент - ПЗУ (Постоянно Запоминающее Устройство). Если быть совсем точным, данный вид памяти называется Mask-ROM (Масочные ПЗУ). Данные на ROM записывались во время производства путём нанесения по маске (отсюда и название) алюминиевых соединительных дорожек литографическим способом. Наличие или отсутствие в соответствующем месте такой дорожки кодировало "0" или "1". Mask-ROM отличается сложностью модификации содержимого (только путем изготовления новых микросхем), а также длительностью производственного цикла (4-8 недель). Поэтому, а также в связи с тем, что современное программное обеспечение зачастую имеет много недоработок и часто требует обновления, данный тип памяти не получил широкого распространения.

Преимущества:

1. Низкая стоимость готовой запрограммированной микросхемы (при больших объёмах производства).

2. Высокая скорость доступа к ячейке памяти.

3. Высокая надёжность готовой микросхемы и устойчивость к электромагнитным полям.

Недостатки:

1. Невозможность записывать и модифицировать данные после изготовления.

2. Сложный производственный цикл.

PROM

PROM - (Programmable ROM), или однократно Программируемые ПЗУ. В качестве ячеек памяти в данном типе памяти использовались плавкие перемычки. В отличие от Mask-ROM, в PROM появилась возможность кодировать ("пережигать") ячейки при наличии специального устройства для записи (программатора). Программирование ячейки в PROM осуществляется разрушением ("прожигом") плавкой перемычки путём подачи тока высокого напряжения. Возможность самостоятельной записи информации в них сделало их пригодными для штучного и мелкосерийного производства. PROM практически полностью вышел из употребления в конце 80-х годов.

Преимущества:

1. Высокая надёжность готовой микросхемы и устойчивость к электромагнитным полям.

2. Возможность программировать готовую микросхему, что удобно для штучного и мелкосерийного производства.

3. Высокая скорость доступа к ячейке памяти.

Недостатки:

1. Невозможность перезаписи

2. Большой процент брака

3. Необходимость специальной длительной термической тренировки, без которой надежность хранения данных была невысокой

EPROM

Различные источники по-разному расшифровывают аббревиатуру EPROM - как Erasable Programmable ROM или как Electrically Programmable ROM (стираемые программируемые ПЗУ или электрически программируемые ПЗУ). В EPROM перед записью необходимо произвести стирание (соответственно появилась возможность перезаписывать содержимое памяти). Стирание ячеек EPROM выполняется сразу для всей микросхемы посредством облучения чипа ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами в течение нескольких минут. Микросхемы, стирание которых производится путем засвечивания ультрафиолетом, были разработаны Intel в 1971 году, и носят название UV-EPROM (приставка UV (Ultraviolet) - ультрафиолет). Они содержат окошки из кварцевого стекла, которые по окончании процесса стирания заклеивают.

В EPROM стирание приводит все биты стираемой области в одно состояние (обычно во все единицы, реже - во все нули). Запись на EPROM, как и в PROM, также осуществляется на программаторах (однако отличающихся от программаторов для PROM). В настоящее время EPROM практически полностью вытеснена с рынка EEPROM и Flash.

Достоинство: Возможность перезаписывать содержимое микросхемы

Недостатки:

1. Небольшое количество циклов перезаписи.

2. Невозможность модификации части хранимых данных.

3. Высокая вероятность "недотереть" (что в конечном итоге приведет к сбоям) или передержать микросхему под УФ-светом (т.н. overerase - эффект избыточного удаления, "пережигание"), что может уменьшить срок службы микросхемы и даже привести к её полной негодности.

EEPROM (E?PROM или Electronically EPROM) - электрически стираемые ППЗУ. Главной отличительной особенностью EEPROM (в т.ч. Flash) от ранее рассмотренных нами типов энергонезависимой памяти является возможность перепрограммирования при подключении к стандартной системной шине микропроцессорного устройства. В EEPROM появилась возможность производить стирание отдельной ячейки при помощи электрического тока. Для EEPROM стирание каждой ячейки выполняется автоматически при записи в нее новой информации, т.е. можно изменить данные в любой ячейке, не затрагивая остальные. Процедура стирания обычно существенно длительнее процедуры записи.

Преимущества EEPROM по сравнению с EPROM:

1. Увеличенный ресурс работы.

2. Проще в обращении.

Недостаток: Высокая стоимость

Flash (полное историческое название Flash Erase EEPROM)

Flash (полное историческое название Flash Erase EEPROM):

Изобретение флэш-памяти зачастую незаслуженно приписывают Intel, называя при этом 1988 год. На самом деле память впервые была разработана компанией Toshiba в 1984 году, и уже на следующий год было начато производство 256Кбит микросхем flash-памяти в промышленных масштабах. В 1988 году Intel разработала собственный вариант флэш-памяти.

Во флэш-памяти используется несколько отличный от EEPROM тип ячейки-транзистора. Технологически флэш-память родственна как EPROM, так и EEPROM. Основное отличие флэш-памяти от EEPROM заключается в том, что стирание содержимого ячеек выполняется либо для всей микросхемы, либо для определённого блока (кластера, кадра или страницы). Обычный размер такого блока составляет 256 или 512 байт, однако в некоторых видах флэш-памяти объём блока может достигать 256КБ. Следует заметить, что существуют микросхемы, позволяющие работать с блоками разных размеров (для оптимизации быстродействия). Стирать можно как блок, так и содержимое всей микросхемы сразу. Таким образом, в общем случае, для того, чтобы изменить один байт, сначала в буфер считывается весь блок, где содержится подлежащий изменению байт, стирается содержимое блока, изменяется значение байта в буфере, после чего производится запись измененного в буфере блока. Такая схема существенно снижает скорость записи небольших объёмов данных в произвольные области памяти, однако значительно увеличивает быстродействие при последовательной записи данных большими порциями.



Классификация оперативной памяти

Типы реальной памяти и их основные характеристики

Одним из важнейших устройств компьютера является память, или запоминающее устройство (ЗУ). По определению, данном в книге "Информатика в понятиях и терминах", ЗУ - "функциональная часть цифровой вычислительной машины, предназначенной для записи, хранения и выдачи информации, представленных в цифровом виде." Однако под это определение попадает как собственно память, так и внешние запоминающие устройства (типа накопителей на жестких и гибких дисках, магнитной ленты, CD-ROM), которые лучше отнести к устройствам ввода/вывода информации. Таким образом под компьютерной памятью в дальнейшем будет пониматься только "внутренняя память компьютера: ОЗУ, ПЗУ, кэш память и флэш-память". Итак, рассмотрим классификацию внутренней памяти компьютера.

Оперативное запоминающее устройство является, пожалуй, одним из самых первых устройств вычислительной машины. Она присутствовала уже в первом поколении ЭВМ по архитектуре, созданных в в начале сороковых -пятидесятых годов двадцатого века. За эти пятьдесят лет сменилось не одно поколение элементной базы, на которых была построена память. Поэтому приведем классификацию ОЗУ по элементной базе и конструктивным особенностям. С некоторой натяжкой к ОЗУ можно отнести и ПЗУ, если рассматривать его как быстрое ЗУ только для чтения.

Схема данной классификации приведена на рисунке.

Рис. Классификация ОЗУ.

Как видно из схемы в зависимости от сохранности данных при отключении питания ОЗУ делится на энергозависимое и энергонезависимое.

К энергонезависимым ЗУ, в первую очередь, относится класс всевозможных ферритовых ЗУ. Далее, условно энергонезависимыми можно назвать ППЗУ стираемые УФ и электрически стираемые (перепрограммируемые – флэш-память). Условность заключается в достаточно долгом (десятки тысяч часов) но не бесконечном сроке хранения записанной информации в данных ЗУ. Следующий класс энергонезависимых ЗУ составляют однократно программируемые ПЗУ. Данные ПЗУ могут поставляться чистыми (вся память записана нулями или единицами) с последующим электрическим однократным программированием, либо программироваться в процессе изготовления (заказные ПЗУ).

Энергозависимая память – это всевозможные виды ОЗУ для быстрого чтения/записи. При отключении питания такая память полностью теряет информацию, но обладает высоким быстродействием. Данный класс реальных ЗУ делится на динамические (с необходимостью регенерации информации) и статические (не требующие регенерации информации). Теперь рассмотрим более подробно каждый класс ЗУ.


ЭВМ первого поколения по элементной базе были крайне ненадежными. Так, среднее время работы до отказа для ЭВМ “ENIAC” составляла 30 минут. Скорость счета при этом была не сравнима со скоростью счета современных компьютеров. Поэтому требования к сохранению данных в памяти компьютера при отказе ЭВМ были строже, чем требования к быстродействию оперативной памяти. Вследствие этого в этих ЭВМ использовалась энергонезависимая память.

Энергонезависимая память позволяла хранить введенные в нее данные продолжительное время (до одного месяца) при отключении питания. Чаще всего в качестве энергонезависимой памяти использовались ферритовые сердечники. Они представляют собой тор, изготовленных из специальных материалов - ферритов. Ферриты характеризуются тем, что петля гистерезиса зависимости их намагниченности от внешнего магнитного поля носит практически прямоугольный характер.

Рис. B.1. Диаграмма намагниченности ферритов.

Вследствие этого намагниченность этого сердечника меняется скачками (положение двоичного 0 или 1, смотри рисунок B.1.) Поэтому, собрав схему, показанную на рисунке B.2, практически собран простейший элемент памяти емкостью в 1 бит. Память на ферритовых сердечниках работала медленно и неэффективно: ведь на перемагничивание сердечника требовалось время и затрачивалось много электрической энергии. Поэтому с улучшением надежности элементной базы ЭВМ энергонезависимая память стала вытесняться энергозависимой - более быстрой, экономной и дешевой. Тем не менее, ученые разных стран по-прежнему ведут работы по поиску быстрой энергозависимой памяти, которая могла бы работать в ЭВМ для критически важных приложений, прежде всего военных.

Рис. B.2. Схема элемента памяти на ферритовых сердечниках.

Классификация оперативной памяти

Типы реальной памяти и их основные характеристики

Одним из важнейших устройств компьютера является память, или запоминающее устройство (ЗУ). По определœению, данном в книге "Информатика в понятиях и терминах", ЗУ - "функциональная часть цифровой вычислительной машины, предназначенной для записи, хранения и выдачи информации, представленных в цифровом виде." При этом под это определœение попадает как собственно память, так и внешние запоминающие устройства (типа накопителœей на жестких и гибких дисках, магнитной ленты, CD-ROM), которые лучше отнести к устройствам ввода/вывода информации. Таким образом под компьютерной памятью в дальнейшем будет пониматься только "внутренняя память компьютера: ОЗУ, ПЗУ, кэш память и флэш-память". Итак, рассмотрим классификацию внутренней памяти компьютера.

Оперативное запоминающее устройство является, пожалуй, одним из самых первых устройств вычислительной машины. Она присутствовала уже в первом поколении ЭВМ по архитектуре, созданных в в начале сороковых -пятидесятых годов двадцатого века. За эти пятьдесят лет сменилось не одно поколение элементной базы, на которых была построена память. По этой причине приведем классификацию ОЗУ по элементной базе и конструктивным особенностям. С некоторой натяжкой к ОЗУ можно отнести и ПЗУ, в случае если рассматривать его как быстрое ЗУ только для чтения.

Схема данной классификации приведена на рисунке.

Рис. Классификация ОЗУ.

Как видно из схемы исходя из сохранности данных при отключении питания ОЗУ делится на энергозависимое и энергонезависимое.

К энергонезависимым ЗУ, в первую очередь, относится класс всœевозможных ферритовых ЗУ. Далее, условно энергонезависимыми можно назвать ППЗУ стираемые УФ и электрически стираемые (перепрограммируемые – флэш-память). Условность состоит в достаточно долгом (десятки тысяч часов) но не бесконечном сроке хранения записанной информации в данных ЗУ. Следующий класс энергонезависимых ЗУ составляют однократно программируемые ПЗУ. Данные ПЗУ могут поставляться чистыми (вся память записана нулями или единицами) с последующим электрическим однократным программированием, либо программироваться в процессе изготовления (заказные ПЗУ).

Энергозависимая память - ϶ᴛᴏ всœевозможные виды ОЗУ для быстрого чтения/записи. При отключении питания такая память полностью теряет информацию, но обладает высоким быстродействием. Данный класс реальных ЗУ делится на динамические (с крайне важно стью регенерации информации) и статические (не требующие регенерации информации). Теперь рассмотрим более подробно каждый класс ЗУ.

ЭВМ первого поколения по элементной базе были крайне ненадежными. Так, среднее время работы до отказа для ЭВМ “ENIAC” составляла 30 минут. Скорость счета при этом была не сравнима со скоростью счета современных компьютеров. По этой причине требования к сохранению данных в памяти компьютера при отказе ЭВМ были строже, чем требования к быстродействию оперативной памяти. Вследствие этого в этих ЭВМ использовалась энергонезависимая память.

Энергонезависимая память позволяла хранить введенные в нее данные продолжительное время (до одного месяца) при отключении питания. Чаще всœего в качестве энергонезависимой памяти использовались ферритовые сердечники. Οʜᴎ представляют из себятор, изготовленных из специальных материалов - ферритов. Ферриты характеризуются тем, что петля гистерезиса зависимости их намагниченности от внешнего магнитного поля носит практически прямоугольный характер.

Рис. B.1. Диаграмма намагниченности ферритов.

Вследствие этого намагниченность этого сердечника меняется скачками (положение двоичного 0 или 1, смотри рисунок B.1.) По этой причине, собрав схему, показанную на рисунке B.2, практически собран простейший элемент памяти емкостью в 1 бит. Память на ферритовых сердечниках работала медленно и неэффективно: ведь на перемагничивание сердечника требовалось время и затрачивалось много электрической энергии. По этой причине с улучшением надежности элементной базы ЭВМ энергонезависимая память стала вытесняться энергозависимой - более быстрой, экономной и дешевой. Тем не менее, ученые разных стран по-прежнему ведут работы по поиску быстрой энергозависимой памяти, которая могла бы работать в ЭВМ для критически важных приложений, прежде всœего военных.

Рис. B.2. Схема элемента памяти на ферритовых сердечниках.