Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) предназначены для постоянного, энергонезависимого хранения информации.
По способу записи ПЗУ классифицируют следующим образом:
- однократно программируемые маской на предприятии-изготовителе;
- однократно программируемые пользователем с помощью специальных устройств, называемых программаторами - ППЗУ ;
- перепрограммируемые, или репрограммируемые ПЗУ - РПЗУ .
Масочные ПЗУ
Программирование масочных ПЗУ происходит в процессе изготовления БИС. Обычно на кристалле полупроводника вначале создаются все запоминающие элементы (ЗЭ) , а затем на заключительных технологических операциях с помощью фотошаблона слоя коммутации реализуются связи между линиями адреса, данных и собственно запоминающим элементом. Этот шаблон (маска) выполняется в соответствии с пожеланиями заказчика по картам заказа. Перечень возможных вариантов карт заказов приводится в технических условиях на ИМС ПЗУ . Такие ПЗУ изготавливаются на основе матриц диодов, биполярных или МОП-транзисторов.
Масочные ПЗУ на основе диодной матрицы
Схема такого ПЗУ представлена на рис. 12.1 . Здесь горизонтальные линии – адресные, а вертикальные – это линии данных, с них в данном случае снимаются 8-разрядные двоичные числа. В данной схеме ЗЭ – это условное пересечение линии адреса и линии данных. Выбор всей строки ЗЭ производится при подаче логического нуля на линию адреса ЛА i c соответствующего выхода дешифратора. В выбранный ЗЭ записывается логический 0 при наличии диода на пересечении линии D i и ЛА i , т.к. в этом случае замыкается цепь: + 5 В, диод, земля на адресной линии. Так, в данном ПЗУ при подаче адреса 11 2 активный нулевой сигнал появляется на адресной линии ЛА 3 , на ней будет уровень логического 0, на шине данных D 7 D 0 появится информация 01100011 2 .
Масочные ПЗУ на основе матрицы МОП-транзисторов
Пример схемы данного ПЗУ представлен на рис. 12.2 . Запись информации осуществляется подключением или неподключением МОП-транзистора в соответствующих точках БИС. При выборе определенного адреса на соответствующей адресной линии ЛА i появляется активный сигнал логической 1, т.е. потенциал, близкий к потенциалу источника питания + 5 В. Данная логическая 1 подается на затворы всех транзисторов строки и открывает их. Если сток транзистора металлизирован, на соответствующей линии данных D i появляется потенциал порядка 0,2 0,3 В, т.е. уровень логического 0. Если же сток транзистора не металлизирован, указанная цепь не реализована, на сопротивлении R i не будет падения напряжения, т.е. в точке D i будет потенциал +5 В, т.е. уровень логической 1. Например, если в показанном на рис. 12.2 ПЗУ на адрес подать код 01 2 , на линии адреса ЛА 1 будет активный уровень 1, а на шине данных D 3 D 0 будет код 0010 2 .
Масочные ПЗУ на основе матрицы биполярных транзисторов
Пример схемы данного ПЗУ представлен на рис. 12.3 . Запись информации осуществляется также металлизацией или неметаллизацей участка между базой и адресной линией. Для выбора строки ЗЭ на линию адреса ЛА i подается логическая 1. При металлизации она подается на базу транзистора, он открывается вследствие разницы потенциалов между эмиттером (земля) и базой (примерно + 5 В). При этом замыкается цепь: + 5 В; сопротивление R i ; открытый транзистор, земля на эмиттере транзистора. В точке D i при этом будет потенциал, соответствующий падению напряжения на открытом транзисторе – порядка 0,4 В, т.е. логический 0. Таким образом, в ЗЭ записан ноль. Если участок между линией адреса и базой транзистора не металлизован, указанная электрическая цепь не реализована, падения напряжения на сопротивлении R i нет, поэтому на соответствующей линии данных D i будет потенциал +5 В, т.е. логическая 1. При подаче, например, адреса 00 2 в приведенном на рис. 12.3 ПЗУ на ШД появится код 10 2 .
Примеры масочных ПЗУ приведены на рис. 12.4 , а в табл. 12.1 – их параметры .
| Обозначение БИС | Технология изготовления | Информационная емкость, бит | Время выборки, нс |
|---|---|---|---|
| 505РЕ3 | pМОП | 512x8 | 1500 |
| К555РE4 | ТТЛШ | 2Кx8 | 800 |
| К568РЕ1 | nМОП | 2Кx8 | 120 |
| К596РЕ1 | ТТЛ | 8Кx8 | 350 |
Программируемые ПЗУ
Программируемые ПЗУ (ППЗУ ) представляют собой такие же диодные или транзисторные матрицы, как и масочные ПЗУ, но с иным исполнением ЗЭ. Запоминающий элемент ППЗУ приведен на рис. 12.5 . Доступ к нему обеспечивается подачей логического 0 на линию адреса ЛА i . Запись в него производится в результате осаждения (расплавления) плавких вставок ПВ, включенных последовательно с диодами, эмиттерами биполярных транзисторов, стоками МОП-транзисторов. Плавкая вставка ПВ представляет собой небольшой участок металлизации, который разрушается (расплавляется) при программировании импульсами тока величиной 50 100 микроампер и длительностью порядка 2 миллисекунд. Если вставка сохранена, то в ЗЭ записан логический 0, поскольку реализована цепь между источником питания и землей на ЛА i через диод (в транзисторных матрицах – через открытый транзистор). Если вставка разрушена, то указанной цепинет и в ЗЭ записана логическая 1.
Основные положения.
Память в микропроцессорной системе выполняет функцию хранения данных. Различные типы памяти предназначены для хранения различных типов данных. Подробнее это будет рассмотрено ниже.
Информация в памяти хранится в ячейках, количество разрядов которых равно количеству разрядов шины данных процессора. Обычно оно кратно восьми. Это связано с тем, что байт является восьмиразрядной единицей измерения. Поэтому объём памяти чаще всего измеряется в байтах независимо от разрядности ячейки памяти.
Допустимое количество ячеек памяти определяется количеством разрядов шины адреса как 2N, где N - количество разрядов шины адреса.
Используются также следующие более крупные единицы объема памяти: килобайт - 210=1024 байта (обозначается Кбайт), мегабайт – 220=1 048 576 байт (обозначается Мбайт), гигабайт - 230 байт (обозначается Гбайт), терабайт - 240 (обозначается Тбайт). Например, если память имеет 65 536 ячеек, каждая из которых 16-разрядная, то говорят, что память имеет объем 128 Кбайт. Совокупность ячеек памяти называется обычно пространством памятисистемы.
Для подключения модуля памяти к системной магистрали используются блоки сопряжения, которые включают в себя дешифратор (селектор) адреса, схему обработки управляющих сигналов магистрали и буферы данных (рис. 8.1). Для подключения модуля памяти к системной магистрали используются блоки сопряжения, которые включают в себя дешифратор (селектор) адреса, схему обработки управляющих сигналов магистрали и буферы данных (рис. 2.18).
Обычно в составе системы имеется несколько модулей памяти, каждый из которых работает в своей области пространства памяти. Селектор адреса как раз и определяет, какая область адресов пространства памяти отведена данному модулю памяти. Схема управления вырабатывает в нужные моменты сигналы разрешения работы памяти (CS – Chip Select) и сигналы разрешения записи в память (WR — Write-Read). Буферы данных передают данные от памяти к магистрали или от магистрали к памяти. В пространстве памяти микропроцессорной системы обычно выделяются несколько особых областей, которые выполняют специальные функции.
Классификация модулей памяти.
Классификация памяти необходима для более чёткого понимания того, для чего та или иная память будет использоваться.
Прежде всего, память делится на две основные подгруппы: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).
Постоянным запоминающим устройством называют энергонезависимую память, т.е. память, не зависящую от наличия напряжения питания на устройстве. В таком устройстве информация может храниться длительное время без подключения его к источнику питания.
Данный тип памяти предназначен для хранения информации, которая не должна быть уничтожена при пропадании питания на устройстве. К таким данным можно отнести программу для микроконтроллера, данные о настройке этой программы, различные файлы. К файлам могут относиться графические изображения, данные, снятые с датчиков и т.д.
Существует множество различных реализаций ПЗУ. В микроконтроллерах наибольшую популярность получили две технологии. Это – EEPROM (Electronically Erasable Programmable ROM – электрически стираемая программируемая энергонезависимая память) и flash (Flash Erase EEPROM).
EEPROM была разработана в 1979 году фирмой Intel. Эта память имеет возможность перепрограммирования при подключении её к стандартной шине процессора. Причём стирание любой ячейки памяти происходит автоматически при записи в неё новых данных. Т.о. в этом типе памяти существует возможность изменить информацию в одной ячейке без затрагивания соседних ячеек.
Flash память является дальнейшим развитием EEPROM. В ней используется несколько отличный от EEPROM тип ячейки-транзистора. И другая организация доступа к ячейкам памяти. В результате чего доступ к ячейкам стал быстрее. Но стирание в flash памяти производится только для определённого блока данных, либо для всей микросхемы в целом. Стереть один элемент в ней невозможно. А так как запись в этом типе микросхемы (для типа памяти NAND) производится поэлементным «И» текущего состояния ячейки с данными которые надо записать, то верные данные будут записаны в ячейку только в том случае, если в ней будут записаны только одни единицы. Установить в ячейке единицу можно только функцией стирания. Никакой записью данных этого сделать нельзя. Следовательно, для того, чтобы записать данные в одну ячейку памяти, надо скопировать в стороннюю память весь блок, который будет стёрт, стереть его. В памяти поменять значение нужной ячейки и уже изменённый блок записать обратно.
Как можно видеть работа с отдельными ячейками данных медленная из-за необходимости каждый раз копировать и стирать целый блок данных. Но работа сразу со всем блоком на много быстрее чем в EEPROM.
Т.о. во Flash имеет смысл хранить информацию, которая будет изменяться редко (или никогда). А в EEPROM можно записывать настройки программы, которые должны сохраниться после отключения устройства от питания.
Flash память бывает двух типов – это NOR и NAND. NOR (Not OR) имеет быстрый произвольный доступ к ячейкам памяти и возможность побайтовой записи. NAND (Not AND) позволяет производить быструю запись и стирание данных, но имеет несколько большее время произвольного доступа к данным по сравнению с NOR.
Исходя из особенностей структур памяти, NAND обычно используется для хранения информации, считываемой потоком, такой как видео, музыка и т.д. NOR же используется для хранения программы, благодаря высокой скорости чтения произвольного байта данных.
ПЗУ имеет относительно низкое быстродействие и не может быть использован для хранения информации, к которой нужен быстрый доступ, такой как переменные.
Память программы начального запускавсегда выполняется на ПЗУ. Именно с этой области процессор начинает работу после включения питания и после сброса его с помощью сигнала RESET. При наличии у микроконтроллера нескольких типов ПЗУ, зачастую существует выбор с какой из них стартовать программу. Для этого наружу выводится несколько ножек, комбинация сигналов на которых идентифицирует ту или иную ПЗУ.
Адресация в NAND.
Для примера работы с ПЗУ рассмотрим организацию памяти и обращение к ней на примере микросхемы памяти NAND.
Структура памяти NAND представлена на рис 8.2.
Память в микросхеме делится на блоки, которые в свою очередь делятся на страницы, состоящие из байт. Т.о. для полной адресации байта памяти требуется знать номер блока, номер страницы и сам адрес байта в этой странице.
Общая ёмкость памяти в этом случае равна произведению ёмкости страницы на количество страниц в блоке и на количество блоков в микросхеме памяти. Если у нас, как показано на рис 8.2, микросхема состоит из 2000 блоков, содержащих 128 страниц каждый. В странице содержится 8192 байта памяти. В итоге получаем: 8192*128*2000 = 2 Гбайта памяти. Обычно размер памяти указывают в битах. Т.е. размер рассматриваемой микросхемы составляет 16Гбит, что и будет указано у неё в документации.
Соответственно, для получения одного байта информации на выводе R/W, отвечающем за чтение запись, устанавливается сигнал, говорящий, что будет чтение. Отправляется команда запроса на чтение байта данных. Затем формируется пакет вида, как показано на рис 8.3.
В этом пакете А13-А0 – это адрес байта в странице, А20-А14 – это номер страницы, А32-А21 – это номер блока.
В ответ на этот запрос микросхема должна выдать запрошенный байт. При этом, если требуется считать несколько байт подряд, то достаточно просто продолжать считывать данные, не обновляя адрес. Микросхема автоматически увеличивает адрес на единицу при каждом чтении. Т.е. при использовании данной микросхемы выгодно читать данные сразу страницами (в нашем примере по 8192 байта).
Статьи к прочтению:
ПЗУ — Постоянное Запоминающее Устройство
Запоминающее устройство - носитель информации , предназначенный для записи и хранения данных. В основе работы запоминающего устройства может лежать любой физический эффект, обеспечивающий приведение системы к двум или более устойчивым состояниям.
Классификация запоминающих устройств
По устойчивости записи и возможности перезаписи ЗУ делятся на:
· постоянные ЗУ (ПЗУ ), содержание которых не может быть изменено конечным пользователем (например, DVD - ROM ). ПЗУ в рабочем режиме допускает только считывание информации.
· записываемые ЗУ, в которые конечный пользователь может записать информацию только один раз (например, D VD -R).
· многократно перезаписываемые ЗУ (например, DVD -RW).
· оперативные ЗУ (ОЗУ ) обеспечивает режим записи, хранения и считывания информации в процессе её обработки.
По типу доступа ЗУ делятся на:
· устройства с последовательным доступом (например, магнитные ленты).
· устройства с произвольным доступом (RAM) (например, оперативная память).
· устройства с прямым доступом (например, жесткие магнитные диски).
· устройства с ассоциативным доступом (специальные устройства, для повышения производительности БД)
По геометрическому исполнению:
· дисковые (магнитные диски , оптические, магнитооптические);
· ленточные (магнитные ленты , перфоленты);
· барабанные (магнитные барабаны );
· карточные (магнитные карты , перфокарты, флэш-карты, и др.)
· печатные платы (карты DRAM ).
По физическому принципу:
· перфорационные (перфокарта ; перфолента );
· с магнитной записью (ферритовые сердечники, магнитные диски, магнитные ленты , магнитные карты);
· оптические (CD , DVD , HD-DVD , Blu-ray Disc );
· использующие эффекты в полупроводниках (флэш-память ) и другие.
По форме записанной информации выделяют аналоговые и цифровые запоминающие устройства.
Постоянное запоминающее устройство
ПЗУ предназначено для хранения постоянной программной и справочной информации. Данные в ПЗУ заносятся при изготовлении. Информацию, хранящуюся в ПЗУ, можно только считывать, но не изменять.
В ПЗУ находятся:
· программа управления работой процессора;
· программа запуска и останова компьютера;
· программы тестирования устройств, проверяющие при каждом включении компьютера правильность работы его блоков;
· программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью;
· информация о том, где на диске находится операционная система.
ПЗУ является энергонезависимой памятью, при отключении питания информация в нем сохраняется.
Оперативное запоминающее устройство
Оперативная память (также оперативное запоминающее устройство , ОЗУ) - предназначена для временного хранения данных и команд, необходимых процессору для выполнения им операций (рисунок 19). Оперативная память передаёт процессору данные непосредственно, либо через кэш-память . Каждая ячейка оперативной памяти имеет свой индивидуальный адрес.
ОЗУ может изготавливаться как отдельный блок или входить в конструкцию однокристальной ЭВМ или микроконтроллера .
Рисунок 19 - Внешний вид оперативной памяти
На сегодня наибольшее распространение имеют два вида ОЗУ: SRAM (Static RAM) и DRAM (Dynamic RAM).
SRAM - ОЗУ, собранное на триггерах , называется статической памятью с произвольным доступом или просто статической памятью. Достоинство этого вида памяти - скорость. Поскольку триггеры собраны на вентилях , а время задержки вентиля очень мало, то и переключение состояния триггера происходит очень быстро. Данный вид памяти не лишён недостатков. Во-первых, группа транзисторов , входящих в состав триггера, обходится дороже, даже если они вытравляются миллионами на одной кремниевой подложке. Кроме того, группа транзисторов занимает гораздо больше места, поскольку между транзисторами, которые образуют триггер, должны быть вытравлены линии связи.
DRAM - более экономичный вид памяти. Для хранения разряда (бита или трита ) используется схема, состоящая из одного конденсатора и одного транзистора (в некоторых вариациях конденсаторов два). Такой вид памяти решает, во-первых, проблему дороговизны (один конденсатор и один транзистор дешевле нескольких транзисторов) и во-вторых, компактности (там, где в SRAM размещается один триггер, то есть один бит, можно уместить восемь конденсаторов и транзисторов).Есть и свои минусы. Во-первых, память на основе конденсаторов работает медленнее, поскольку если в SRAM изменение напряжения на входе триггера сразу же приводит к изменению его состояния, то для того чтобы установить в единицу один разряд (один бит) памяти на основе конденсатора, этот конденсатор нужно зарядить, а для того чтобы разряд установить в ноль, соответственно, разрядить. А это гораздо более длительные операции (в 10 и более раз), чем переключение триггера, даже если конденсатор имеет весьма небольшие размеры. Второй существенный минус - конденсаторы склонны к «стеканию» заряда; проще говоря, со временем конденсаторы разряжаются. Причём разряжаются они тем быстрее, чем меньше их ёмкость. В связи с этим обстоятельством, дабы не потерять содержимое памяти, заряд конденсаторов необходимо регенерировать через определённый интервал времени - для восстановления. Регенерация выполняется путём считывания заряда (через транзистор). Контроллер памяти периодически приостанавливает все операции с памятью для регенерации её содержимого, что значительно снижает производительность данного вида ОЗУ. Память на конденсаторах получила своё название Dynamic RAM (динамическая память) как раз за то, что разряды в ней хранятся не статически, а «стекают» динамически во времени.
Таким образом, DRAM дешевле SRAM и её плотность выше, что позволяет на том же пространстве кремниевой подложки размещать больше битов, но при этом её быстродействие ниже. SRAM, наоборот, более быстрая память, но зато и дороже. В связи с этим обычную память строят на модулях DRAM, а SRAM используется для построения, например, кэш-памяти в микропроцессорах.
Жесткий магнитный диск
Накопитель на жёстких магнитных дисках или НЖМД (англ. Hard (Magnetic) Disk Drive), жёсткий диск - устройство хранения информации , основанное на принципе магнитной записи. Является основным накопителем данных в большинстве компьютеров .
Информация в НЖМД (рисунок 20) записывается на жёсткие (алюминиевые , керамические или стеклянные) пластины , покрытые слоем ферромагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома . В НЖМД используется от одной до нескольких пластин на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образующейся у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет несколько нанометров , а отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне, где исключён их нештатный контакт с поверхностью дисков.
Рисунок 20 - Устройство НЖМД
Основные характеристики жестких дисков:
Интерфейс (англ. interface) - совокупность линий связи, сигналов, посылаемых по этим линиям, технических средств, поддерживающих эти линии, и правил (протокола) обмена. Серийно выпускаемые жёсткие диски могут использовать интерфейсы ATA (он же IDE и PATA), SATA , SCSI , SAS , FireWire , USB , SDIO и Fibre Channel .
Ёмкость (англ. capacity) - количество данных, которые могут храниться накопителем. Ёмкость современных устройств достигает 2000 Гб (2 Тб). В отличие от принятой в информатике системы приставок, обозначающих кратную 1024 величину, производителями при обозначении ёмкости жёстких дисков используются величины, кратные 1000. Так, ёмкость жёсткого диска, маркированного как «200 ГБ», составляет 186,2 ГБ .
Физический размер (форм-фактор ) (англ. dimension). Почти все современные накопители для персональных компьютеров и серверов имеют ширину либо 3,5, либо 2,5 дюйма . Также получили распространение форматы 1,8 дюйма, 1,3 дюйма, 1 дюйм и 0,85 дюйма. Прекращено производство накопителей в форм-факторах 8 и 5,25 дюймов.
Время произвольного доступа (англ. random access time) - время, за которое винчестер гарантированно выполнит операцию чтения или записи на любом участке магнитного диска. Диапазон этого параметра невелик - от 2,5 до 16 мс .
Скорость вращения шпинделя (англ. spindle speed) - количество оборотов шпинделя в минуту. От этого параметра в значительной степени зависят время доступа и средняя скорость передачи данных. В настоящее время выпускаются винчестеры со следующими стандартными скоростями вращения: 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки), 5400, 7200 и 10 000 (персональные компьютеры), 10 000 и 15 000 об/мин (серверы и высокопроизводительные рабочие станции).
Надёжность (англ. reliability) - определяется как среднее время наработки на отказ (MTBF).
Количество операций ввода-вывода в секунду - у современных дисков это около 50 оп./с при произвольном доступе к накопителю и около 100 оп./с при последовательном доступе.
Потребление энергии - важный фактор для мобильных устройств.
Уровень шума - шум, который производит механика накопителя при его работе. Указывается в децибелах . Тихими накопителями считаются устройства с уровнем шума около 26 дБ и ниже. Шум состоит из шума вращения шпинделя (в том числе аэродинамического) и шума позиционирования.
Сопротивляемость ударам (англ. G-shock rating) - сопротивляемость накопителя резким скачкам давления или ударам, измеряется в единицах допустимой перегрузки во включённом и выключенном состоянии.
Скорость передачи данных (англ. Transfer Rate) при последовательном доступе:
Внутренняя зона диска: от 44,2 до 74,5 Мб/с;
Внешняя зона диска: от 60,0 до 111,4 Мб/с.
Объём буфера - буфером называется промежуточная память, предназначенная для сглаживания различий скорости чтения/записи и передачи по интерфейсу. В современных дисках он обычно варьируется от 8 до 64 Мб.
Жёсткий диск состоит из гермозоны и блока электроники.
Гермозона включает в себя корпус из прочного сплава, собственно диски (пластины) с магнитным покрытием, блок головок с устройством позиционирования, электропривод шпинделя .
Блок головок - пакет рычагов из пружинистой стали (по паре на каждый диск). Одним концом они закреплены на оси рядом с краем диска. На других концах (над дисками) закреплены головки.
Диски (пластины), как правило, изготовлены из металлического сплава. Хотя были попытки делать их из пластика и даже стекла, но такие пластины оказались хрупкими и недолговечными. Обе плоскости пластин, подобно магнитофонной ленте, покрыты тончайшей пылью ферромагнетика - окислов железа , марганца и других металлов. Точный состав и технология нанесения держатся в секрете. Большинство бюджетных устройств содержит 1 или 2 пластины, но существуют модели с бо́льшим числом пластин.
Диски жёстко закреплены на шпинделе. Во время работы шпиндель вращается со скоростью несколько тысяч оборотов в минуту. При такой скорости вблизи поверхности пластины создаётся мощный воздушный поток, который приподнимает головки и заставляет их парить над поверхностью пластины. Форма головок рассчитывается так, чтобы при работе обеспечить оптимальное расстояние от пластины. Пока диски не разогнались до скорости, необходимой для «взлёта» головок, парковочное устройство удерживает головки в зоне парковки. Это предотвращает повреждение головок и рабочей поверхности пластин. Шпиндельный двигатель жёсткого диска трехфазный, что обеспечивает стабильность вращения магнитных дисков, смонтированных на оси (шпинделе) двигателя. Статор двигателя содержит три обмотки, включенные звездой с отводом посередине, а ротор - постоянный секционный магнит. Для обеспечения малого биения на высоких оборотах в двигателе используются гидродинамические подшипники.
Устройство позиционирования головок состоит из неподвижной пары сильных неодимовых постоянных магнитов , а также катушки на подвижном блоке головок. Вопреки расхожему мнению, внутри гермозоны нет вакуума . Одни производители делают её герметичной (отсюда и название) и заполняют очищенным и осушенным воздухом или нейтральными газами, в частности, азотом ; а для выравнивания давления устанавливают тонкую металлическую или пластиковую мембрану. (В таком случае внутри корпуса жёсткого диска предусматривается маленький карман для пакетика силикагеля , который абсорбирует водяные пары, оставшиеся внутри корпуса после его герметизации). Другие производители выравнивают давление через небольшое отверстие с фильтром, способным задерживать очень мелкие (несколько микрометров ) частицы. Однако в этом случае выравнивается и влажность, а также могут проникнуть вредные газы. Выравнивание давления необходимо, чтобы предотвратить деформацию корпуса гермозоны при перепадах атмосферного давления и температуры, а также при прогреве устройства во время работы.
Пылинки, оказавшиеся при сборке в гермозоне и попавшие на поверхность диска, при вращении сносятся на ещё один фильтр - пылеуловитель.
В ранних жёстких дисках управляющая логика была вынесена на MFM или RLL контроллер компьютера, а плата электроники содержала только модули аналоговой обработки и управления шпиндельным двигателем, позиционером и коммутатором головок. Увеличение скоростей передачи данных вынудило разработчиков уменьшить до предела длину аналогового тракта, и в современных жёстких дисках блок электроники обычно содержит: управляющий блок, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), буферную память, интерфейсный блок и блок цифровой обработки сигнала .
Интерфейсный блок обеспечивает сопряжение электроники жёсткого диска с остальной системой.
Блок управления представляет собой систему управления , принимающую электрические сигналы позиционирования головок, и вырабатывающую управляющие воздействия приводом типа « звуковая катушка », коммутации информационных потоков с различных головок, управления работой всех остальных узлов (к примеру, управление скоростью вращения шпинделя), приёма и обработки сигналов с датчиков устройства (система датчиков может включать в себя одноосный акселерометр, используемый в качестве датчика удара, трёхосный акселерометр , используемый в качестве датчика свободного падения, датчик давления, датчик угловых ускорений, датчик температуры).
Блок ПЗУ хранит управляющие программы для блоков управления и цифровой обработки сигнала, а также служебную информацию винчестера.
Буферная память сглаживает разницу скоростей интерфейсной части и накопителя (используется быстродействующая статическая память ). Увеличение размера буферной памяти в некоторых случаях позволяет увеличить скорость работы накопителя.
Блок цифровой обработки сигнала осуществляет очистку считанного аналогового сигнала и его декодирование (извлечение цифровой информации). Для цифровой обработки применяются различные методы, например, метод PRML (Partial Response Maximum Likelihood - максимальное правдоподобие при неполном отклике). Осуществляется сравнение принятого сигнала с образцами. При этом выбирается образец, наиболее похожий по форме и временным характеристикам с декодируемым сигналом.
На заключительном этапе сборки устройства поверхности пластин форматируются - на них формируются дорожки и секторы. Конкретный способ определяется производителем и/или стандартом, но, как минимум, на каждую дорожку наносится магнитная метка, обозначающая её начало.
С целью адресации пространства поверхности пластин диска делятся на дорожки - концентрические кольцевые области (рисунок 21). Каждая дорожка делится на равные отрезки - секторы.
Цилиндр - совокупность дорожек, равноотстоящих от центра, на всех рабочих поверхностях пластин жёсткого диска. Номер головки задает используемую рабочую поверхность (то есть конкретную дорожку из цилиндра), а номер сектора - конкретный сектор на дорожке.
Рисунок 21 - Геометрия магнитного диска
При способе адресации CHS сектор адресуется по его физическому положению на диске 3 координатами - номером цилиндра, номером головки и номером сектора
При способе адресации LBA адрес блоков данных на носителе задаётся с помощью логического линейного адреса.
Оптические диски
Оптический диск (англ. optical disc) - собирательное название для носителей информации , выполненных в виде дисков, чтение с которых ведётся с помощью оптического излучения . Диск обычно плоский, его основа сделана из поликарбоната , на который нанесён специальный слой, который и служит для хранения информации. Для считывания информации используется обычно луч лазера , который направляется на специальный слой и отражается от него. При отражении луч модулируется мельчайшими выемками (питами, от англ. pit - ямка, углубление, рисунок 22) на специальном слое, на основании декодирования этих изменений устройством чтения восстанавливается записанная на диск информация. Информация на диске записывается в виде спиральной дорожки так называемых питов (углублений), выдавленных в поликарбонатной основе. Каждый пит имеет примерно 100 нм в глубину и 500 нм в ширину. Длина пита варьируется от 850 нм до 3,5 мкм . Промежутки между питами называются лендом. Шаг дорожек в спирали составляет 1,6 мкм.
Рисунок 22 - CD под электронным микроскопом
Существует несколько видов оптических дисков: CD, DVD, Blu-Ray и др. (рисунок 23).
CD-ROM (англ. compact disc read-only memory) - разновидность компакт-дисков с записанными на них данными, доступными только для чтения. Изначально диск был разработан для хранения аудиозаписей, но впоследствии был доработан для хранения и других цифровых данных . В дальнейшем на базе CD-ROM были разработаны диски как с однократной, так и с многократной перезаписью (CD-R и CD-RW ).
Рисунок 23 – Дисковод для чтения оптических дисков
Диски CD-ROM - популярное и самое дешёвое средство для распространения программного обеспечения , компьютерных игр , мультимедиа и данных. CD-ROM (а позднее и DVD-ROM) стал основным носителем для переноса информации между компьютерами .
Компакт-диск представляет собой поликарбонатную подложку толщиной 1,2 мм, покрытого тончайшим слоем металла (алюминий , золото , серебро и др.) и защитным слоем лака, на котором обычно наносится графическое представление содержания диска. Принцип считывания через подложку был принят, поскольку позволяет весьма просто и эффективно осуществить защиту информационной структуры и удалить её от внешней поверхности диска. Диаметр пучка на внешней поверхности диска составляет порядка 0,7 мм, что повышает помехоустойчивость системы к пыли и царапинам. Кроме того, на внешней поверхности имеется кольцевой выступ высотой 0,2 мм, позволяющий диску, положенному на ровную поверхность, не касаться этой поверхности. В центре диска расположено отверстие диаметром 15 мм. Вес диска без коробки составляет приблизительно 15,7 гр. Вес диска в обычной коробке приблизительно равен 74 гр.
Компакт-диски имеют в диаметре 12 см и изначально вмещали до 650 Мбайт информации. Однако, начиная приблизительно с 2000 года , всё большее распространение стали получать диски объёмом 700 Мбайт, впоследствии полностью вытеснившие диск объёмом 650 Мбайт. Встречаются и носители объёмом 800 мегабайт и даже больше, однако они могут не читаться на некоторых приводах компакт-дисков. Бывают также 8-сантиметровые диски, на которые вмещается около 140 или 210 Мб данных.
Различают диски только для чтения («алюминиевые»), CD-R - для однократной записи, CD-RW - для многократной записи. Диски последних двух типов предназначены для записи на специальных пишущих приводах.
Дальнейшим развитием CD-ROM-дисков стали диски DVD-ROM .
DVD (англ. Digital Versatile Disc) - цифровой многоцелевой диск - носитель информации , выполненный в виде диска, внешне схожий с компакт-диском , однако имеющий возможность хранить бо́льший объём информации за счёт использования лазера с меньшей длиной волны, чем для обычных компакт-дисков.
Blu-ray Disc, BD (англ. blue ray disk ) - формат оптического носителя , используемый для записи и хранения цифровых данных, включая видео высокой чёткости с повышенной плотностью. Стандарт Blu-ray был совместно разработан консорциумом BDA .
Blu-ray (буквально «синий-луч») получил своё название от использования для записи и чтения коротковолнового (405 нм ) «синего» (технически сине-фиолетового) лазера . Однослойный диск Blu-ray (BD) может хранить 23,3/25/27 или 33 Гб , двухслойный диск может вместить 46,6/50/54 или 66 Гб.
Твердотельный накопитель
Твердотельный накопитель (англ. SSD, Solid State Drive, Solid State Disk) - энергонезависимое, перезаписываемое компьютерное запоминающее устройство без движущихся механических частей. Следует различать твердотельные накопители, основанные на использовании энергозависимой (RAM SSD) и энергонезависимой (NAND или Flash SSD) памяти.
Накопители RAM SSD, построенные на использовании энергозависимой памяти (такой же, какая используется в ОЗУ персонального компьютера) характеризуются сверхбыстрыми чтением, записью и поиском информации. Основным их недостатком является чрезвычайно высокая стоимость. Используются, в основном, для ускорения работы крупных систем управления базами данных и мощных графических станций. Такие накопители, как правило, оснащены аккумуляторами для сохранения данных при потере питания, а более дорогие модели - системами резервного и/или оперативного копирования.
Накопители NAND SSD, построенные на использовании энергонезависимой памяти появились относительно недавно, но в связи с гораздо более низкой стоимостью начали уверенное завоевание рынка. До недавнего времени существенно уступали традиционным накопителям в чтении и записи, но компенсировали это (особенно при чтении) высокой скоростью поиска информации (сопоставимой со скоростью оперативной памяти). Сейчас уже выпускаются твердотельные накопители Flash со скоростью чтения и записи, сопоставимой с традиционными, и разработаны модели, существенно их превосходящие. Характеризуются относительно небольшими размерами и низким энергопотреблением. Уже практически полностью завоевали рынок ускорителей баз данных среднего уровня и начинают теснить традиционные диски в мобильных приложениях.
Преимущества по сравнению с жёсткими дисками :
· меньше время загрузки системы;
· отсутствие движущихся частей;
· производительность: скорость чтения и записи до 270 МБ/с;
· низкая потребляемая мощность;
· полное отсутствие шума от движущихся частей и охлаждающих вентиляторов;
· высокая механическая стойкость;
· широкий диапазон рабочих температур;
· практически устойчивое время считывания файлов вне зависимости от их расположения или фрагментации;
· малый размер и вес.
Флеш-память
Флеш-память (англ. Flash-Memory) - разновидность твердотельной полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти.
Она может быть прочитана сколько угодно раз, но писать в такую память можно лишь ограниченное число раз (максимально - около миллиона циклов). Распространена флеш-память, выдерживающая около 100 тысяч циклов перезаписи - намного больше, чем способна выдержать дискета или CD-RW .
Не содержит подвижных частей, так что, в отличие от жёстких дисков , более надёжна и компактна.
Благодаря своей компактности, дешевизне и низкому энергопотреблению флеш-память широко используется в цифровых портативных устройствах (рисунок 24).
Рисунок 24 – Разновидности флеш-накопителей
Флеш-память хранит информацию в массиве транзисторов с плавающим затвором , называемых ячейками. В традиционных устройствах с одноуровневыми ячейками, каждая из них может хранить только один бит. Некоторые новые устройства с многоуровневыми ячейками могут хранить больше одного бита, используя разный уровень электрического заряда на плавающем затворе транзистора.
В основе типа флеш-памяти NOR лежит ИЛИ-НЕ элемент (англ. NOR), потому что в транзисторе с плавающим затвором низкое напряжение на затворе обозначает единицу.
Транзистор имеет два затвора : управляющий и плавающий. Последний полностью изолирован и способен удерживать электроны до 10 лет. В ячейке имеются также сток и исток. При программировании напряжением на управляющем затворе создаётся электрическое поле и возникает туннельный эффект . Некоторые электроны туннелируют через слой изолятора и попадают на плавающий затвор, где и будут пребывать. Заряд на плавающем затворе изменяет «ширину» канала сток-исток и его проводимость , что используется при чтении.
Программирование и чтение ячеек сильно различаются в энергопотреблении: устройства флеш-памяти потребляют достаточно большой ток при записи, тогда как при чтении затраты энергии малы.
Для стирания информации на управляющий затвор подаётся высокое отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора переходят (туннелируют) на исток.
В NOR-архитектуре к каждому транзистору необходимо подвести индивидуальный контакт, что увеличивает размеры схемы. Эта проблема решается с помощью NAND-архитектуры.
В основе NAND-типа лежит И-НЕ элемент (англ. NAND). Принцип работы такой же, от NOR-типа отличается только размещением ячеек и их контактами. В результате уже не требуется подводить индивидуальный контакт к каждой ячейке, так что размер и стоимость NAND-чипа может быть существенно меньше. Также запись и стирание происходит быстрее. Однако эта архитектура не позволяет обращаться к произвольной ячейке.
NAND и NOR-архитектуры сейчас существуют параллельно и не конкурируют друг с другом, поскольку находят применение в разных областях хранения данных.
Существуют несколько типов карт памяти, используемых в портативных устройствах:
Compact Flash - карты памяти CF являются старейшим стандартом карт флеш-памяти. Первая CF карта была произведена корпорацией SanDisk в 1994 году. Чаще всего в наши дни он применяется в профессиональном фото и видео оборудовании, так как ввиду своих размеров (43×36×3,3 мм) слот расширения для Compact Flash-карт физически проблематично разместить в мобильных телефонах или MP3-плеерах.
Multimedia Card . Карта в формате MMC имеет небольшой размер - 24×32×1,4 мм. Разработана совместно компаниями SanDisk и Siemens. MMC содержит контроллер памяти и обладает высокой совместимостью с устройствами самого различного типа. В большинстве случаев карты MMC поддерживаются устройствами со слотом SD.
MMCmicro - миниатюрная карта памяти для мобильных устройств с размерами 14×12×1,1 мм. Для обеспечения совместимости со стандартным слотом MMC необходимо использовать переходник.
SD Card (Secure Digital Card является дальнейшим развитием стандарта MMC. По размерам и характеристикам карты SD очень похожи на MMC, только чуть толще (32×24×2,1 мм). Основное отличие от MMC - технология защиты авторских прав: карта имеет криптозащиту от несанкционированного копирования, повышенную защиту информации от случайного стирания или разрушения и механический переключатель защиты от записи.
SDHC (SD High Capacity): Старые карты SD (SD 1.0, SD 1.1) и новые SDHC (SD 2.0) (SD High Capacity) и устройства их чтения различаются ограничением на максимальную ёмкость носителя, 4 Гб для SD и 32 Гб для SD High Capacity (Высокой Ёмкости). Устройства чтения SDHC обратно совместимы с SD, то есть SD-карта будет без проблем прочитана в устройстве чтения SDHC, но в устройстве SD карта SDHC не будет читаться вовсе. Оба варианта могут быть представлены в любом из трёх форматов физических размеров (стандартный, mini и micro).
M iniSD (Mini Secure Digital Card): От стандартных карт Secure Digital отличаются меньшими размерами 21,5×20×1,4 мм. Для обеспечения работы карты в устройствах, оснащённых обычным SD-слотом, используется адаптер.
M icroSD (Micro Secure Digital Card): являются на настоящий момент самыми компактными съёмными устройствами флеш-памяти (11×15×1 мм). Используются, в первую очередь, в мобильных телефонах, коммуникаторах, и т. п., так как, благодаря своей компактности, позволяют существенно расширить память устройства, не увеличивая при этом его размеры.
Memory Stick Duo : данный стандарт памяти разрабатывался и поддерживается компанией Sony . Корпус достаточно прочный. На данный момент - это самая дорогая память из всех представленных. Memory Stick Duo был разработан на базе широко распространённого стандарта Memory Stick от той же Sony, отличается малыми размерами (20×31×1,6 мм).
Memory Stick Micro (M2): Данный формат является конкурентом формата microSD (по аналогичному размеру), сохраняя преимущества карт памяти Sony.
xD-Picture Card : используются в цифровых фотоаппаратах фирм Olympus , Fujifilm и некоторых других.
ПЗУ – память, информация в которой, будучи однажды записанной, изменению не подлежит. Например, программа загрузки в ОЗУ микропроцессорной системы информации из внешней памяти. Все типы ПЗУ используют один и тот же принцип построения схемы. Информация в ПЗУ представляется в виде наличия или отсутствия соединения между шинами адреса и данных.
Условное графическое обозначение ПЗУ представлено на рис.26.10.
Рис.26.10. Условное графическое обозначение ПЗУ
Рис. 26.11. Схема ПЗУ
На рис. 26.11 приведена схема простейшего ПЗУ. Для реализации ПЗУ достаточно использовать дешифратор, диоды, набор резисторов и шинные формирователи. Рассматриваемое ПЗУ содержит разрядных слова, т.е. его общий объем составляет 32 бит. Количество столбцов определяет разрядность слова, а количество строк – количество 8 разрядных слов. Диоды устанавливаются в тех местах, где должны храниться биты, имеющие значение логического «0» (дешифратор подает 0 на выбранную строку). В настоящее время вместо диодов ставят МОП-транзисторы.
В табл. 26.1 приведено состояние ПЗУ, схема которого приведена на рис. 26.11.
Таблица 26.1
Состояние простого ПЗУ
| Слово | Двоичное представление | ||||||||
| А0 | А1 | D1 | D2 | D3 | D4 | D5 | D6 | D7 | D8 |
Как правило, ПЗУ имеют многоразрядную организацию со структурой 2DM . Технологии изготовления самые разнообразные – КМОП, n-МОП, ТТЛ(Ш) и диодные матрицы.
Все ПЗУ можно разделить на следующие группы: программируемые при изготовлении (масочные), с однократным программированием и перепрограммируемые.
В запоминающих устройствах, программируемых при изготовлении (ПЗУ или ROM), информация записывается непосредственно в процессе их изготовления с помощью фотошаблона, называемого маской, на завершающем этапе технологического процесса. Такие ПЗУ называемые масочными, построены на диодах, биполярных или МОП транзисторах.
Область использования масочных ПЗУ – хранение стандартной информации, например знакогенераторы (коды букв латинского и русского алфавита), таблицы типовых функций (синусы, квадратичные функции), стандартное программное обеспечение.
Программируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ, или PROM ) – ПЗУ с возможностью однократного электрического программирования. Этот вид памяти позволяет пользователю однократно запрограммировать микросхему памяти с помощью программаторов.
Микросхемы ППЗУ построены на запоминающих ячейках с плавкими перемычками. Процесс программирование заключается в избирательном пережигании плавких перемычек с помощью импульсов тока достаточной амплитуды и длительности. Плавкие перемычки включаются в электроды диодов или транзисторов.
На рис. 26.12 приведена схема ППЗУ с плавкими перемычками. Оно изготавливается со всеми диодами и перемычками, т.е. в матрице все «0», а при программировании пережигаются те перемычки, в ячейках которых должны быть логические «1».
Рис. 26.12. Фрагмент схемы ППЗУ
Репрограммируемые постоянные запоминающие устройства (РПЗУ и РПЗУ УФ) – ПЗУ с возможностью многократного электрического программирования. В ИС РПЗУ УФ (EPROM ) старая информация стирается с помощью ультрафиолетовых лучей, для чего в корпусе микросхемы имеется прозрачное окошко; в РПЗУ (EEPROM ) – с помощью электрических сигналов.
Запоминающие ячейки РПЗУ строятся на n -МОП или КМОП транзисторах. Для построения ЗЭ используются различные физические явления хранения заряда на границе между двумя диэлектрическими средами или проводящей и диэлектрической средой.
В первом варианте диэлектрик под затвором МОП транзистора делают из двух слоев: нитрида кремния и двуокиси кремния. Этот транзистор называется МНОП: металл – нитрид кремния – окисел – полупроводник. На границе диэлектрических слоев возникают центры захвата зарядов. Благодаря туннельному эффекту носители заряда могут проходить сквозь тонкую пленку окисла и скапливаться на границе раздела слоев. Этот заряд, являющийся носителем информации, хранимой МНОП-транзистором, приводит к изменению порогового напряжения транзистора. При этом пороговое напряжение возрастает настолько, что рабочее напряжение на затворе транзистора не в состоянии его открыть. Транзистор, в котором заряд отсутствует, легко открывается. Одно из состояний определено как логическая единица, второе – ноль.
Во втором варианте затвор МОП транзистора делают плавающим, т.е. не связанным с другими элементами схемы. Такой затвор заряжается током лавинной инжекции при подаче на сток транзистора высокого напряжения. В результате заряд на плавающем затворе влияет на ток стока, что используется при считывании информации, как и в предыдущем варианте с МНОП транзистором. Такие транзисторы получили название ЛИЗМОП (МОП транзистор с лавинной инжекцией заряда). Так как затвор транзистора окружен изолятором, ток утечки очень мал и информация может храниться достаточно долго (десятки лет).
В РПЗУ с электрическим стиранием над плавающим затвором транзистора размещают второй – управляющий затвор. Подача напряжения на него вызывает рассасывание заряда на плавающем затворе за счет туннельного эффекта. РПЗУ имеют весомые преимущества перед РПЗУ УФ, так как не требуют для перепрограммирования специальных источников ультрафиолетового света. ЗУ с электрическим стиранием практически вытеснили ЗУ с ультрафиолетовым стиранием.
Фрагмент схемы РПЗУ с использованием двухзатворных транзисторов типа ЛИЗМОП показан на рис. 26.13. Запись логического нуля осуществляется в режиме программирования с помощью заряда плавающего затвора. Стирание информации, т.е. разряд плавающего затвора, означает запись логической единицы. В этом случае при подаче сигнала по линии выборки опрашиваемые транзисторы открываются и передают напряжение U ПИТ на линии считывания.
Современные РПЗУ имеют информационную емкость до 4 Мбит при тактовой частоте до 80 МГц.
26.5. Flash -память
Основные принципы работы и тип запоминающих элементов Flash -памяти аналогичны ППЗУ с электрической записью и стиранием информации, построенной на транзисторах с плавающим затвором. Как правило, благодаря своим особенностям, Flash -память выделяют в отдельный класс. В ней производится стирание или всей записанной информации одновременно, или больших блоков информации, а не стирание отдельных слов. Это позволяет исключить схемы управления записью и стиранием отдельных байтов, что дает возможность значительно упростить схему ЗУ и достичь высокого уровня интеграции и быстродействия при снижении стоимости.
Рис.26.13. Фрагмент схемы РПЗУ
Современные тенденции развития электронных приборов требуют постоянного увеличения объема используемой памяти. На сегодня инженеру доступны микросхемы как энергозависимой памяти типа DRAM , которую характеризуют предельно низкая цена за бит и большие уровни интеграции, так и энергонезависимой Flash -памяти, себестоимость которой постоянно снижается и стремится к уровню DRAM .
Потребность в энергонезависимой Flash -памяти растет пропорционально степени продвижения компьютерных систем в сферу мобильных приложений. Надежность, малое энергопотребление, небольшие размеры и незначительный вес являются очевидными преимуществами носителей на основе Flash -памяти в сравнении с дисковыми накопителями. С учетом постоянного снижения стоимости хранения единицы информации в Flash -памяти, носители на её основе предоставляют все больше преимуществ и функциональных возможностей мобильным платформам и портативному оборудованию, использующему такую память. Среди многообразия типов памяти, Flash -память на основе ячеек NAND является наиболее подходящей основой для построения энергонезависимых устройств хранения больших объемов информации.
В настоящее время можно выделить две основных структуры построения флэш-памяти: память на основе ячеек NOR (ИЛИ-НЕ) и NAND (И-НЕ). Структура NOR (рис. 26.14, а) состоит из параллельно включенных элементарных ячеек хранения информации. Такая организация ячеек обеспечивает возможность произвольного доступа к данным и побайтной записи информации. В основе структуры NAND (рис. 26.14, б) лежит принцип последовательного соединения элементарных ячеек, образующих группы (в одной группе 16 ячеек), которые объединяются в страницы, а страницы – в блоки. При таком построении массива памяти обращение к отдельным ячейкам невозможно. Программирование выполняется одновременно только в пределах одной страницы, а при стирании обращение производится к блокам или к группам блоков.
Рис.26.14. Структуры на основе NOR (a) и NAND (б)
В результате 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 памяти NOR . Поскольку 16 прилегающих друг другу ячеек памяти NAND соединены последовательно друг с другом без каких-либо контактных промежутков, достигается высокая площадь размещения ячеек на кристалле, что позволяет получить большую емкость при одинаковых технологических нормах. В основе программирования флэш-памяти NAND лежит процесс туннелирования электронов. А поскольку он используется как для программирования, так и для стирания, достигается низкое энергопотребление микросхемы памяти. Последовательная структура организации ячеек позволяет получить высокую степень масштабируемости, что делает NAND-Flash лидером в гонке наращивания объемов памяти. Ввиду того, что туннелирование электронов осуществляется через всю площадь канала ячейки, интенсивность захвата заряда на единицу площади у NAND-Flash ниже, чем в других технологиях Flash -памяти, в результате чего она имеет более высокое количество циклов программирования/стирания. Программирование и чтение выполняются посекторно или постранично, блоками по 512 байт, для эмуляции общераспространенного размера сектора дисковых накопителей.
Более детально особенности микросхем Flash -памяти можно рассмотреть на примере кристаллов серии HY 27xx(08/16)1G 1M фирмы Hynix . На рис. 26.15 показана внутренняя структура и назначение выводов этих приборов.
Микросхема имеет следующие выводы:
I/O 8-15 – вход/выход данных для х16 устройств
I/O 0-7 – вход/выход данных, адресный вход или вход команд для х8 и х16 устройств;
ALE – включение адресной защелки;
CLE – включение защелки команд;
– выбор кристалла;
– разрешение чтения;
– чтение/занят (выход с открытым стоком);
– разрешение записи;
– защита от записи
V CC – напряжение питания;
V SS – общий вывод.
Рис.26.15. Схема внешних выводов (а), назначение выводов (б) и структурная схема (в) Flash -памяти
Линии адреса мультиплексированы с линиями ввода/вывода данных на 8-ми или 16-ти разрядной шине ввода/вывода. Такой интерфейс уменьшает количество используемых выводов и делает возможным переход к микросхемам большей емкости без изменения печатной платы. Каждый блок может быть запрограммирован и стерт 100000 раз. Микросхемы имеют выход «чтение/занят» с открытым стоком, который может использоваться для идентификации активности контроллера PER (Program/Erase/Read ). Поскольку выход сделан с открытым стоком, существует возможность подключать несколько таких выходов от разных микросхем памяти вместе через один «подтягивающий» резистор к положительному выводу источника питания.
Рис.26.16. Организация массива памяти NАND -структуры
Массив памяти NAND -структуры организован в виде блоков, каждый из которых содержит 32 страницы. Массив раздел на две области: главную и запасную (рис. 26.16).
Главная область массива используется для хранения данных, в то время как запасная область обычно задействована для хранения кодов коррекции ошибок (ECC ), программных флагов и идентификаторов негодных блоков (Bad Block ) основной области. В 8-битных устройствах страницы в главной области разделены на две полустраницы по 256 байт каждая, плюс 16 байт запасной области. В 16-ти битных устройствах страницы разделены на главную область объемом 256 слов и запасную объемом 8 слов.
Память на основе ячеек NOR имеет сравнительно большие времена стирания и записи, но обладает доступом к каждому биту на чтение. Данное обстоятельство позволяет применять такие микросхемы для записи и хранения программного кода, который не требует частого перезаписывания. Такими применениями могут быть, например, BIOS для встраиваемых компьютеров или ПО для телевизионных приставок.
Свойства NAND-Flash определили область ее применения: карты памяти и иные устройства хранения данных. Сейчас данный тип памяти применяется почти повсеместно в мобильных устройствах, фото- и видеокамерах и т.д. NAND-Flash лежит в основе практически всех типов карт памяти: SmartMedia , MMC , SecureDigital, MemoryStick
Достигнутая в настоящее время информационная емкость Flash -памяти достигает 8ГБит, типовая совокупная скорость программирования и стирания составляет до 33.6 мС / 64 кБ при тактовой частоте до 70 МГц.
Двумя основными направлениями эффективного использования Flash -памяти являются хранение редко изменяемых данных и замена памяти на магнитных дисках. Для первого направления используется Flash -память с адресным доступом, а для второго – файловая память.
26.6. ОЗУ типа FRAM
FRAM – оперативное энергонезависимое ЗУ, сочетающее высокое быстродействие и малую потребляемую мощность, присущие ОЗУ, со свойством хранения данных при отсутствии приложенного напряжения.
В сравнении с EEPROM и Flash -памятью время записи данных в ЗУ этого типа и потребляемая мощность намного меньше (менее 70 нс против нескольких миллисекунд), а ресурс по циклам записи намного выше (не менее 10 11 против 10 5 …10 6 циклов для EEPROM ).
FRAM должна стать в ближайшем будущем самой популярной памятью в цифровых устройствах. FRAM будет отличаться не только быстродействием на уровне DRAM , но и возможностью сохранять данные при отключении энергии. Словом, FRAM может вытеснить не только медленную Flash , но и обычную ОЗУ типа DRAM . Сегодня ферроэлектрическая память находит ограниченное применение, к примеру, в RFID -тэгах. Ведущие компании, в числе которых Ramtron, Samsung, NEC, Toshiba , активно развивают FRAM . Примерно к 2015 году на рынок должны поступить n -гигабайтные модули FRAM .
Указанные свойства FRAM обеспечивает сегнетоэлектрик (перовскит), используемый в качестве диэлектрика накопительного конденсатора ячейки памяти. При этом сегнетоэлектрическое ЗУ хранит данные не только в виде заряда конденсатора (как в традиционных ОЗУ), но и виде электрической поляризации кристаллической структуры сегнетоэлектрика. Сегнетоэлектрический кристалл имеет два состояния, которые могут соответствовать логическим 0 и 1.
Термин FRAM еще не устоялся. Первые FRAM получили название – ферродинамические ОЗУ. Однако в настоящее время в качестве запоминающих ячеек используется сегнетоэлектрик и сейчас FRAM часто называют сегнетоэлектрическим ОЗУ.
Первые FRAM имели 2Т /2С -архитектуру (рис.26.17, а), на основе которой выполняется и большинство современных микросхем сегнетоэлектрической памяти. Ячейка такого типа, в которой каждому биту соответствует индивидуальный опорный бит, позволяет определить разницу зарядов с высокой точностью. А благодаря считыванию дифференциального сигнала исключается влияние разброса параметров конденсаторов ячеек. Позже появились FRAM с архитектурой 1Т /1С (рис.26.17, б). Достоинство микросхем с такой архитектурой – меньшая, чем в обычных схемах площадь ячейки и, следовательно, меньшая стоимость микросхемы в пересчете на единицу информационной емкости.
На рис.26.18 приведена структурная схема сегнетоэлектрического ОЗУ (FRAM ) объемом 1 Мбит и параллельным интерфейсом доступа FM 20L 08 фирмы Ramtron . В таблице 26.1. показаны выводы микросхемы.
FM 20L 08 – энергонезависимая память с организацией 128К×8, которая считывается и записывается подобно стандартному статическому ОЗУ. Сохранность данных обеспечивается в течение 10 лет, при этом, нет необходимости задумываться о надежности хранения данных (неограниченная износостойкость), упрощается проектирование системы и исключается ряд недостатков альтернативного решения энергонезависимой памяти на основе статического ОЗУ с резервным батарейным питанием. Быстрота записи и неограниченное количество циклов перезаписи делают FRAM лидером по отношению к другим типам энергонезависимой памяти.
Рис.26.17. Ячейка памяти типа 2Т /2С (а) и 1Т /1С (б)
Рис.26.18. Структурная схема FRAM FM 20L 08
ПЗУ - быстрая, энергонезависимая память, которая, предназначенная только для чтения. Информация заносится в нее один раз (обычно в заводских условиях) и сохраняется постоянно (при включенном и выключенном компьютере). В ПЗУ хранится информация, присутствие которой постоянно необходимо в компьютере. Комплект программ, находящийся в ПЗУ образовывает базовую систему ввода/вывода BIOS (Basic Input Output System). BIOS (Basic Input Output System - базовая система ввода-вывода) - совокупность программ, предназначенных для автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера и загрузки операционной системы в оперативную память.
В ПЗУ находятся:
Тестовые программы, проверяющие при каждом включении компьютера правильность работы его блоков;
Программы для управления основными периферийными устройствами - дисководом, монитором, клавиатурой;
Информация о том, где на диске расположена операционная система.
Типы ПЗУ:
ПЗУ с масочным программированием это память, в которую информация записана раз и навсегда в процессе изготовления полупроводниковых интегральных схем. Постоянные запоминающие устройства применяются только в тех случаях, когда речь идет о массовом производстве, т.к. изготовление масок для интегральных схем частного применения обходится весьма недешево.
ППЗУ (программируемое постоянное запоминающее устройство).
Программирование ПЗУ – это однократно выполняемая операция, т.е. информация, когда-то записанная в ППЗУ, впоследствии изменена быть не может.
СППЗУ (стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство). При работе с ним, пользователь может запрограммировать его, а затем стереть записанную информацию.
ЭИПЗУ (электрически изменяемое постоянное запоминающее устройство). Его программирование и изменение осуществляются с помощью электрических средств. В отличии от СППЗУ для стирания информации, хранимой в ЭИПЗУ, не требуется специальных внешних устройств.
Наглядно ОЗУ и ПЗУ можно представить себе в виде массива ячеек, в которые записаны отдельные байты информации. Каждая ячейка имеет свой номер, причем нумерация начинается с нуля. Номер ячейки является адресом байта.
Центральный процессор при работе с ОЗУ должен указать адрес байта, который он желает прочитать из памяти или записать в память. Разумеется, из ПЗУ можно только читать данные. Прочитанные из ОЗУ или ПЗУ данные процессор записывает в свою внутреннюю память, устроенную аналогично ОЗУ, но работающую значительно быстрее и имеющую емкость не более десятков байт.
Процессор может обрабатывать только те данные, которые находятся в его внутренней памяти, в ОЗУ или в ПЗУ. Все эти виды устройства памяти называются устройствами внутренней памяти, они обычно располагаются непосредственно на материнской плате компьютера (внутренняя память процессора находится в самом процессоре).
Кэш-память. Обмен данными внутри процессора происходит намного быстрее, чем обмен данными между процессором и оперативной памятью. Поэтому, для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают так называемую сверхоперативную или кэш-память. Когда процессору нужны данные, он сначала обращается к кэш-памяти, и только тогда, когда там отсутствуют нужные данные, происходит обращение к оперативной памяти. Чем больше размер кэш-памяти, тем большая вероятность, что необходимые данные находятся там. Поэтому высокопроизводительные процессоры имеют повышенные объемы кэш-памяти.
Различают кэш-память первого уровня (выполняется на одном кристалле с процессором и имеет объем порядка несколько десятков Кбайт), второго уровня (выполняется на отдельном кристалле, но в границах процессора, с объемом в сто и более Кбайт) и третьего уровня (выполняется на отдельных быстродействующих микросхемах с расположением на материнской плате и имеет объем один и больше Мбайт).
В процессе работы процессор обрабатывает данные, находящиеся в его регистрах, оперативной памяти и внешних портах процессора. Часть данных интерпретируется как собственно данные, часть данных - как адресные данные, а часть - как команды. Совокупность разнообразных команд, которые может выполнить процессор над данными, образовывает систему команд процессора. Чем больше набор команд процессора, тем сложнее его архитектура, тем длиннее запись команд в байтах и тем дольше средняя продолжительность выполнения команд.