Полная версия

Главная arrow Информатика arrow Вычислительная техника

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Постоянные запоминающие устройства

Обобщенное название постоянных ЗУ (ПЗУ) как энергонезависимой памяти включает в себя любое устройство, хранящее записанные данные даже при отсутствии питающего напряжения (в отличие от статической или динамической памяти). Общепризнанное название постоянных ЗУ - ROM (Read Only Memory - память только для чтения). Запись в ПЗУ по сравнению с чтением обычно сложнее и связана с большими затратами времени и энергии. Занесение информации в ПЗУ называется программированием, или «прошивкой». Современные ПЗУ реализуются в виде полупроводниковых микросхем, которые по возможностям и способу программирования разделяют (рис. 6.14):

  • - на программируемые при изготовлении;
  • - однократно программируемые после изготовления;
  • - многократно программируемые.

Масочные ПЗУ имеют самое высокое быстродействие (время доступа 30-70 нс). В вычислительной технике эти микросхемы не получили широкого распространения ввиду сложности модификации содержимого (только путем изготовления новых микросхем). В компьютерах масочные ПЗУ применялись в качестве знакогенераторов в некоторых моделях видеоадаптеров: CGA, MDA, HGC.

Запоминающая ячейка масочного ПЗУ, как правило, состоит из одного элемента, а запись информации осуществляется методом включения элемента в требуемое перекрестие матрицы с помощью сменной маски при изготовлении кристалла ПЗУ. Из всех методов производственного процесса записи информации в ПЗУ этот метод обладает самой большой надежностью, самой высокой плотностью компоновки, наибольшей простотой изготовления, а следовательно, самой низкой стоимостью при массовом производстве. В роли перемычки выступает транзистор, расположенный на пересечении РШ и ША.

На рисунке 6.15 показаны возможные конфигурации ячейки ROM. Логическое значение «0» хранится в ячейке в том случае, если в точке Р транзистор соединен с выводом «земля» (через перемычку или диод); в противном случае в ней хранится «1» (перемычка расплавлена или диод закорочен). Линия РШ через резистор соединена с источником питания. Для того чтобы прочитать информацию о состоянии ячейки, нужно активизировать шину ША. При этом транзисторный ключ закрывается и, если сеть соединение между транзистором и выводом «земля», напряжение на РШ падает почти до нуля. Если соединения с «землей» нет, на РШ остается высокое напряжение, соответствующее логической единице. Схема считывания на конце РШ генерирует правильное выходное значение.

Классификация постоянных запоминающих устройств

Рис. 6.14 Классификация постоянных запоминающих устройств

Электрические схемы ячеек ROM на основе транзистора

Рис. 6.15 Электрические схемы ячеек ROM на основе транзистора: а) с плавкой вставкой; б) с диодом

Пример запоминающей матрицы ПЗУ на диодах представлен на рисунке

6.16.

PROM (Programmable ROM - программируемое ПЗУ). Информация записывается пользователем однократно. Первыми такими ПЗУ стали микросхемы памяти на базе плавких предохранителей. Для записи информации требуется специальное устройство - программатор. Занесение информации в PROM производится электрическими сигналами, путем пережигания отдельных перемычек импульсами усиленного тока. Такие микросхемы применялись для хранения кодов в BIOS и в графических адаптерах. Они не чувствительны к электромагнитному полю и несанкционированное изменение их содержимого исключено.

OTP EPROM (One Time Programmable EPROM - EPROM с однократным программированием). В его основе лежит кристалл EPROM, помещенный в непрозрачный корпус без кварцевого окна, вследствие чего может быть запрограммирован лишь один раз.

В EPROM (Erasable Programmable ROM - стираемое программируемое ПЗУ) запись информации производится электрическими сигналами, так же как в PROM, но перед операцией записи содержимое всех ячеек стирается (приводится к одинаковому состоянию) путем воздействия на микросхему ультрафиолетовым излучением в течение нескольких минут. Для стирания информации в микросхеме EPROM имеется небольшое кварцевое окно, которое заклеивают непрозрачной пленкой, чтобы предотвратить случайное стирание информации.

Запоминающая матрица ПЗУ на диодах

Рис. 6.16 Запоминающая матрица ПЗУ на диодах

Данные хранятся в виде зарядов плавающих затворов МОП-транзисторов, играющих роль конденсаторов с очень малой утечкой заряда. Структура ячейки EPROM подобна структуре ячейки ROM, показанной на рисунке 6.16. Однако в ней всегда имеется соединение с выводом «земля» и используется особый транзистор, который может функционировать или как обычный, или как выключенный. Этот транзистор можно запрограммировать, чтобы он работал как постоянно открытый ключ, поместив в него заряд, который он «захватывает» и не выпускает наружу. Таким образом, ячейка EPROM может использоваться для создания памяти с такой же структурой, как у описанной выше ROM.

Микросхемы EPROM программируются на программаторах. Цикл программирования занимает несколько сотен микросекунд. Время доступа к информации лежит в диапазоне 50-250 нс. До недавнего времени микросхемы данного типа являлись самыми распространенными носителями BIOS как на системных платах ЭВМ, так и в адаптерах, а также использовались в качестве знакогенераторов.

Микросхемы EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM - электрически стираемое программируемое ПЗУ) относительно небольшого объема широко применяются в качестве энергонезависимой памяти конфигурирования различных адаптеров. В микросхеме используется тот же принцип хранения информации, что и в EPROM. Стирание и запись информации в эту память производится побайтно, причем стирание - не отдельный процесс, а лишь этап, происходящий автоматически при записи. Операция записи занимает больше времени, чем считывание.

Программирование EEPROM не требует специального программатора и реализуется средствами самой микросхемы. Современные микросхемы имеют довольно сложную структуру, в которую входит управляющий автомат.

NVRAM (Non-Volatile Random Access Memory) - энергонезависимая память с произвольным доступом, имеющая возможность произвольной смены информации не только во всей ее области или блоке, но и в отдельной ячейке, причем не процедурой, а обычным шинным циклом. Особенностью этой памяти является то, что в одном корпусе объединены статическое ОЗУ и перепрограммируемая постоянная память типа EEPROM. При включении питания информация копируется из EEPROM в SRAM, а при выключении - автоматически перезаписывается из SRAM в EEPROM.

FRAM (Ferroelectric RAM - ферроэлектрическая память). Ячейки FRAM по структуре напоминают DRAM (содержат транзистор и конденсатор), но информация хранится не в виде заряда конденсатора, а в виде направления поляризации специального диэлектрического материала прокладки конденсаторов. Поляризация сохраняется вплоть до ее изменения противоположно направленным электрическим полем, что обеспечивает энергонезависимость данного вида памяти. Информация считывается за счет воздействия на конденсатор электрического поля. Величина возникающего при этом тока зависит от того, изменяет ли приложенное поле направление поляризации на противоположное или нет.

Как и в DRAM, данный тип ЗУ требует регенерации. В отличие от флэш- памяти, у которой число циклов перезаписи принципиально ограничено (хотя и очень велико), ячейки FRAM практически не деградируют в процессе записи - количество циклов перезаписи составляет около Ю10.

Флэш-память относится к классу EEPROM, но использует особую технологию построения запоминающих ячеек. Как и в EEPROM, используется один униполярный (полевой) транзистор на бит, благодаря чему достигается высокая плотность размещения информации на кристалле (на 30% выше, чем у DRAM). Ячейки организованы в матрицу. Чистые (стертые) ячейки содержат единицу во всех битах. Стирание выполняется для всей матрицы ячеек (блоками или полностью всей микросхемы); стирание одиночной ячейки невозможно.

Чтение из флэш-памяти осуществляется как и в любой другой памяти - подается адрес ячейки и на выходе появляются данные через определенное время доступа (35-200 нс). Программирование (запись) одного байта занимает время порядка 10 мкс.

По организации матрицы ячеек различают архитектуры NOR и NAND. В организации NOR транзисторы на одной линии объединяются стоками параллельно, как бы образуя логический элемент ИЛИ-HE (NOR - Not OR). Такая организация обеспечивает высокое быстродействие произвольного считывания без потери производительности. В организации NAND несколько транзисторов разных ячеек соединяются последовательно, образуя логический элемент И-НЕ (NAND - Not AND), что дает высокую скорость последовательных обращений.

Организация блока ячеек флэш-памяти типов NOR и NAND представлена на рисунке 6.17.

От ошибочного стирания (записи) применяются различные методы программной и аппаратной защиты: аппаратная может защищать как весь массив целиком, так и отдельные блоки; программная - это ключевая последовательность команд, нарушение которой не позволяет начать операции стирания и записи.

Микросхемы флэш-памяти предназначены для хранения BIOS, программного обеспечения, исполняемого прямо на месте, в средствах беспроводной связи (сотовые телефоны с доступом к сети Интернет) и т.д.

Ячейка традиционной флэш-памяти представляет собой транзистор с двумя изолированными затворами: управляющим и «плавающим». Важная особенность последнего - способность удерживать электроны, т.е. заряд. Кроме того, в ячейке имеются электроды, называемые «сток» и «исток». При программировании между ними, за счет воздействия положительного поля на управляющем затворе, создается канал - поток электронов. Некоторые из электронов благодаря наличию большей энергии преодолевают слой изолятора и попадают на плавающий затвор. На нем они могут храниться в течение нескольких лет. Определенный диапазон количества электронов (заряда) на плавающем затворе соответствует логической единице, а все, что больше его, - нулю. При чтении эти состояния распознаются путем измерения порогового напряжения транзистора. Для стирания информации на управляющий затвор подается высокое отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора переходят (туннелируют) на исток. В технологиях различных производителей этот принцип работы может отличаться по способу подачи тока и чтения данных из ячейки.

Организация блока ячеек флэш-памяти типов

Рис. 6.17 Организация блока ячеек флэш-памяти типов: a) NOR; б) NAND

Различия в организации структуры между памятью NOR и NAND находят свое отражение в их характеристиках. При работе со сравнительно большими массивами данных процессы записи/стирания в памяти NAND выполняются значительно быстрее, чем в памяти NOR. Поскольку 16 прилегающих друг к другу ячеек памяти NAND соединены последовательно, без контактных промежутков, достигается высокая плотность размещения ячеек на кристалле, что позволяет получить большую емкость при одинаковых технологических нормах. Последовательная организация ячеек обеспечивает высокую степень масштабируемости, что делает NAND-флэш лидером в гонке наращивания объемов памяти. В основе программирования флэш-памяти NAND лежит процесс туннелирования электронов. Ввиду того, что туннелирование осуществляется через всю площадь канала ячейки, интенсивность захвата заряда на единицу площади у памяти NAND ниже, чем в других технологиях флэш-памяти, в результате чего она имеет большее число циклов программирования/стирания. А поскольку туннелирование используется как для программирования, так и для стирания, энергопотребление микросхемы памяти оказывается низким. Программирование и чтение выполняются посекторно или постранично, блоками по 512 байт, для эмуляции общераспространенного размера сектора дисковых накопителей.

Стоит также обратить внимание на то, что в структуре флэш-памяти для хранения 1 бита информации задействуется только один элемент (транзистор), в то время как в энергозависимых типах памяти для этого требуется несколько транзисторов и конденсатор. Это позволяет существенно уменьшить размеры выпускаемых микросхем, упростить технологический процесс, а следовательно, снизить себестоимость. Но и 1 бит - далеко не предел. Еще в 1992 г. команда инженеров корпорации Intel начала разработку устройства флэш-памяти, одна ячейка которого хранила бы более одного бита информации. Уже в сентябре 1997 г. была анонсирована микросхема памяти Intel StrataFlash емкостью 64 Мбит, одна ячейка которой могла хранить 2 бита данных. Потом появились образцы

с 4-битными ячейками. В такой памяти используется технология многоуровневых ячеек. Они имеют обычную структуру, а отличие заключается в том, что их заряд делится на несколько уровней, каждому из которых в соответствие ставится определенная комбинация битов. Теоретически прочитать/записать можно и более 4 бит, однако на практике возникают проблемы с устранением шумов и с постепенной утечкой электронов при продолжительном хранении.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>