Типы ПЗУ

ПЗУ – расшифровывается как постоянное запоминающее устройство, обеспечивающее энергонезависимое хранение информации на каком-либо физическом носителе. По способу хранения информации ПЗУ можно разделить на три типа:

1. ПЗУ, основанные на магнитном принципе хранения информации.

Принцип работы этих устройств основан на изменении направления вектора намагниченности участков ферромагнетика под воздействием переменного магнитного поля в соответствии со значениями битов записываемой информации.

Ферромагнетик – вещество, способное при температуре ниже определенного порога (точки Кюри) обладать намагниченностью при отсутствии внешнего магнитного поля.

Считывание записываемых данных в таких устройствах основано на эффекте электромагнитной индукции или магниторезистивного эффекта. Этот принцип реализуется в устройствах с подвижным носителем в виде диска или ленты.

Электромагнитной индукцией называется эффект возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока проходящего через него.

Магниторезистивный эффект основан на изменении электрического сопротивления твердотельного проводника под действием внешнего магнитного поля.

Основное преимущество данного типа – большой объем хранимой информации и низкая стоимость единицы хранимой информации. Основной недостаток – наличие подвижных частей, большие габариты, низкая надежность и чувствительность к внешним воздействиям (вибрация, удары, перемещения и т.д.)

2. ПЗУ, основанные на оптическом принципе хранения информации.

Принцип работы этих устройств основан на изменении оптических свойств участка носителя, например, за счет изменения степени прозрачности или коэффициента отражения. Примером ПЗУ, основанном на оптическом принципе хранения информации, могут служит CD -, DVD-, BluRay - диски.

Основное достоинство данного типа ПЗУ – низкая стоимость носителя, удобство транспортирования и возможность тиражирования. Недостатки – низкая скорость чтения/записи, ограниченное количество перезаписей, потребность в считывающем устройстве.

3. ПЗУ, основанные на электрическом принципе хранения информации.

Принцип работы этих устройств основан на пороговых эффектах в полупроводниковых структурах – возможности хранения и регистрации наличия заряда в изолированной области.

Этот принцип используется в твердотельной памяти – памяти, не требующей использование подвижных частей для чтения/записи данных. Примером ПЗУ, основанном на электрическом принципе хранения информации, может служить flash – память.

Основное достоинство данного типа ПЗУ – высокая скорость чтения/записи, компактность, надежность, экономичность. Недостатки – ограниченное число перезаписи.

На данный момент существуют или находятся на этапе разработки и другие, «экзотические» типы постоянной памяти, такие как:

Магнитно-оптическая память – память, сочетающая свойства оптических и магнитных накопителей. Запись на такой диск осуществляется путем нагрева ячейки лазером до температуры около 200 о С. Разогретая ячейка теряет магнитный заряд. Далее ячейку можно остудить, что будет означать, что в ячейку записан логический ноль, либо зарядить заново магнитной головкой, что будет означать, что в ячейку записана логическая единица.

После охлаждения магнитный заряд ячейки изменить нельзя. Считывание производится лазерным лучом меньшей интенсивности. Если в ячейки содержится магнитный заряд, то лазерный луч поляризуется, а считывающее устройство определяет, является ли лазерный луч поляризованным. За счет «закрепления» магнитного заряда при охлаждении магнитно-оптические обладают высокой надежностью хранения информации и теоретически могут иметь плотность записи большую, чем ПЗУ основанное только на магнитном принципе хранения информации. Однако заменить «жесткие» диски они не могут из-за очень низкой скорости записи, обусловленную необходимостью высокого нагрева ячеек.

Широкого распространения магнитно-оптическая память не получила и используется очень редко.

Молекулярная память – память, основанная на технологии атомной туннельной микроскопии, позволяющей изымать или добавлять в молекулы отдельные атомы, наличие которых затем может считываться специальными чувствительными головками. Данная технология была представлена в середине 1999 года компанией Nanochip, и теоретически позволяла достичь плотности упаковки около 40 Гбит/см 2 , что в десятки раз превосходит существующие серийные образцы «Жестких» дисков, однако слишком низкая скорость записи и надёжность технологии не позволяет говорить о практическом использовании молекулярной памяти в обозримом будущем.

Голографическая память – отличается от существующих наиболее распространенных типов постоянной памяти, использующих для записи один или два поверхностных слоя, возможностью записывать данных по «всему» объему памяти с помощью различных углов наклона лазера. Наиболее вероятно применение такого типа памяти в ПЗУ на базе оптического хранения информации, где уже не в новинку оптические диски с несколькими информационными слоями.

Существуют и другие, совсем уж экзотические типы постоянной памяти, но они даже в лабораторных условиях балансируют на грани научной фантастики, поэтому упоминать о них не буду, поживем – увидим.

Любая электроника представляет собой сложные устройства, принцип функционирования которых понятен далеко не каждому обывателю. Что такое ПЗУ и для чего необходимо данное устройство? Большинство пользователей сегодня не могут ответить на этот вопрос. Давайте попробуем исправить эту ситуацию.

Что собой представляет ПЗУ?

Чем являются ПЗУ и где они могут использоваться. Постоянные запоминающие устройства это так называемая энергонезависимая память. Чисто технически данные устройства реализованы в форме микросхем. Одновременно мы узнали, как расшифровывается аббревиатура ПЗУ. Такие микросхемы предназначены для хранения введенной пользователем информации, а также установленных программ. В ПЗУ можно найти все от документов до картинок. Информация на данной микросхеме хранится на протяжении нескольких месяцев или даже лет.

В зависимости от используемого устройства объемы памяти могут меняться от нескольких килобайт на самых простых устройствах, которые имеют всего один кристалл кремния, до терабайтов. Чем больше объем постоянного запоминающегося устройства, тем больше объектов может на нем храниться. Объем микросхемы прямо пропорционален количеству данных. Если попробовать более емко ответить на вопрос, что представляет собой ПЗУ, то можно сказать следующее: это хранилище информации, которое не зависит от постоянного напряжения.

Использование жестких дисков в качестве ПЗУ

Итак, мы уже дали ответ на вопрос, что представляет собой ПЗУ. Теперь поговорим о том, какими могут быть ПЗУ. Основное запоминающее устройство в любом компьютере — это жесткий диск. Сегодня они есть в каждом компьютере. Данный элемент используется благодаря широким возможностям накопления данных. При этом также существует ряд ПЗУ, которые используют в своем устройстве мультиплексоры. Это особые микроконтроллеры, начальные загрузчики и другие электронные механизмы. При более детальном рассмотрении, нужно не только понимать значение аббревиатуры ПЗУ. Чтобы вникнуть в тему, нужна расшифровка и других терминов.

Дополнение и расширение возможностей ПЗУ за счет использования флэш-технологий

Если пользователю не хватает стандартного объема памяти, то можно попробовать воспользоваться расширением возможностей в сфере хранения информации, предоставленных ПЗУ. Это осуществляется за счет использования современных технологий, которые реализованы в USB-накопителях и картах памяти. В основе данных технологий лежит принцип многоразового использования. Если говорить проще, то информацию на таких носителях можно затирать и снова записывать. Делать подобную операцию можно десятки и сотни тысяч раз.

Из чего состоит ПЗУ

В состав ПЗУ входит две части, которые обозначают как ПЗУ-А и ПЗУ-Э. ПЗУ-А используется для хранения программ, а ПЗУ-Э для выдачи программ. ПЗУ типа А представляет собой диодно-трансформаторную матрицу, которая прошивается при помощи адресных проводов. Данный раздел ПЗУ выполняет основную функцию. Начинка будет зависеть от материала, который использовался при изготовлении ПЗУ. Для этого могут использоваться магнитные ленты, магнитные диски, перфокарты, барабаны, ферритовые наконечники, диэлектрики с их свойством накопления электростатических зарядов.

ПЗУ: схематические строение

Данный объект электроники обычно изображается в виде устройства, напоминающее соединение некоторого количества одноразрядных ячеек. Несмотря на потенциальную сложность микросхема ПЗУ по размеру очень мала. При запоминании определенного бита информации производится запайка к корпусу (запись нуля) или к источнику питания (запись единицы). Чтобы увеличить разрядность ячеек памяти, в постоянных запоминающих устройствах схемы могут соединяться параллельно. Именно так и поступают производители с целью получения современного продукта. Ведь при использовании ПЗУ с высокими техническими характеристиками устройство будет конкурентноспособно на рынке.

Объем памяти, используемый в различных единицах техники

Объем памяти может зависеть от типа и предназначения ПЗУ. В простой бытовой технике вроде холодильников или стиральных машин будет вполне достаточно установленных микроконтроллеров. Что-то более сложное устанавливается в редких случаях. Нет смысла использовать здесь больший объем ПЗУ. Количество электроники довольно невелико. К тому же от техники не требуется выполнять сложные вычисления. Для современных телевизоров может потребоваться уже что-то более сложное. Вершиной сложности схем ПЗУ является вычислительная техника вроде серверов и персональных компьютеров. В такой технике ПЗУ вмещают в себя от нескольких гигабайт до сотен терабайт информации.

Масочное ПЗУ

Если запись осуществляется, когда запись ведется при помощи процесса металлизации и используется маска, то такое ПЗУ будет называться масочным. В них адреса ячеек памяти подаются на десять выводов. Конкретная микросхема выбирается при помощи специального сигнала CS. ПЗУ данного вида программируются на заводах. Поэтому изготавливать их в средних и мелких объемах неудобно и невыгодно. Однако при крупносерийном производстве такие устройства будут наиболее дешевыми из ПЗУ.

Это и обеспечило популярность данного типа устройств. С точки зрения схемотехнического решения такие ПЗУ отличаются от общей массы тем, что соединения в запоминающей матрице заменены на плавкие перемычки, которые изготавливаются из поликристаллического кремния. На стадии производства создаются все перемычки. Компьютер считает, что везде записаны логические единицы. Однако во время подготовительного программирования подается повышенной напряжение.

При помощи него оставляют логические единицы. Перемычки при подачи низких напряжений испаряются. Компьютер считает, что там записан логический нуль. Такой же принцип используется и в программируемых постоянных запоминающих устройствах. Программируемые ПЗУ или ППЗУ оказались довольно удобны с точки зрения технологического изготовления. К ним можно прибегать как в средне- так и в мелкосерийном производстве. Однако у этих устройств имеются и свои ограничения. Записать программу можно только один раз, после этого перемычки навсегда испаряются.

Из-за невозможности повторно использовать ПЗУ. При ошибочной записи его приходится выбрасывать. В результате стоимость всей произведенной аппаратуры увеличивается. Из-за несовершенства производственного цикла. Данная проблема довольно долго занимала умы разработчиков. В качестве выхода из данной ситуации было решено разработать ПЗУ, которое можно многократно программировать.

ПЗУ с электрическим или ультрафиолетовым стиранием

Такие устройства создаются на базе запоминающей матрицы, в которой ячейки памяти имеют особую структуру. Каждая ячейка здесь является МОП-транзистором, затвор в котором выполнен из поликристаллического кремния. Чем-то напоминает предыдущий вариант. Особенность данных ПЗУ состоит в том, что кремний в данном случае дополнительно окружается диэлектриком, который обладает изолирующими свойствами. В качестве диэлектрика используется диоксид кремния.

Здесь принцип действия базируется на содержании индукционного заряда. Он может храниться десятки лет. Здесь есть некоторые особенности со стиранием. Так, например, для ультрафиолетового ПЗУ устройства требуется попадание УФ-лучей извне, например, от ультрафиолетовой лампы. Конечно, с точки зрения удобства эксплуатации конструкция ПЗУ с электрическим стиранием будет оптимальным вариантом. В данном случае для активации нужно просто подать напряжение. Такой принцип электрического стирания успешно реализован в таких устройствах как флэш-накопители. Однако такая схема ПЗУ структурно ничем не отличается от обычного масочного ПЗУ за исключение строения ячейки.

Такие устройства иногда еще называют репрограммируемыми. Однако при всех преимуществах устройств такого типа, есть определенные границы скорости стирания информации. Обычно, для выполнения данной операции необходимо от 10 до 30 минут. Несмотря на возможность перезаписи, у репрограммируемых устройств есть ограничения по использованию. Электроника с УФ стиранием может пережить от 10 до 100 циклов перезаписи. После этого разрушающее влияние ультрафиолетового излучения станет таким ощутимым, что устройство перестанет функционировать.

Такие элементы могут использоваться для хранения программ BIOS в видео и звуковых картах для дополнительных портов. Относительно возможности перезаписи оптимальным будет принцип электрического стирания. Число перезаписей в таких устройствах составляет от 100 до 500 тысяч. Конечно, можно найти устройства, которые могут работать и больше, однако обычным пользователям такие сверхъестественные возможности совершенно ни к чему.

Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ)

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

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.

Персональные компьютеры имеют четыре иерархических уровня памяти:

микропроцессорная память;

основная память;

регистровая кэш-память;

внешняя память.

Микропроцессорная память рассмотрена выше. Основная память предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с другими устройствами компьютера. Функции памяти:

прием информации от других устройств;

запоминание информации;

выдача информации по запросу в другие устройства машины.

Основная память содержит два вида запоминающих устройств:

ПЗУ - постоянное запоминающее устройство;

ОЗУ - оперативное 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.

ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом компьютером в текущий период времени.

Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к памяти). Все ячейки памяти объединены в группы по 8 бит (1 байт), каждая такая группа имеет адрес, по которому к ней можно обратиться.

ОЗУ является энергозависимой памятью, при выключении питания информация в нем стирается.

В современных компьютерах объем памяти обычно составляет 8-128 Мбайт. Объем памяти - важная характеристика компьютера, она влияет на скорость работы и работоспособность программ.

Кроме ПЗУ и ОЗУ на системной плате имеется и энергонезависимая CMOS-память, постоянно питающаяся от своего аккумулятора. В ней хранятся параметры конфигурации компьютера, которые проверяются при каждом рключении системы. Это полупостоянная память. Для изменения параметров конфигурации компьютера в BIOS содержится программа настройки конфигурации компьютера - SETUP.

Для ускорения доступа к оперативной памяти используется специальная сверхбыстродействующая кэш-память, которая располагается как бы «между» микропроцессором и оперативной памятью, в ней хранятся копии наиболее часто используемых участков оперативной памяти. Регистры кэш-памяти недоступны для пользователя.

В кэш-памяти хранятся данные, которые микропроцессор получил и будет использовать в ближайшие такты своей работы. Быстрый доступ к этим данным позволяет сократить время выполнения очередных команд программы.

Микропроцессоры, начиная от МП 80486, имеют свою встроенную кэш-память. Микропроцессоры Pentium и Реntium Pro имеют кэш-память отдельно для данных и отдельно для команд. Для всех микропроцессоров может использоваться дополнительная кэш-память, размещаемая на материнской плате вне микропроцессора, емкость которой может достигать нескольких Мбайт. Внешняя память относится к внешним устройствам компьютера и используется для долговременного хранения любой информации, которая может потребоваться для решения задач. В частности, во внешней памяти хранятся все программное обеспечение компьютера.

Устройства внешней памяти - внешние запоминающие устройства - весьма разнообразны. Их можно классифицировать по виду носителя, по типу конструкции, по принципу записи и считывания информации, по методу доступа и т. д.

Наиболее распространенными внешними запоминающими устройствами являются:

накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД);

накопители на гибких магнитных дисках (НГМД);

накопители на оптических дисках (CD-ROM).

Реже в качестве устройств внешней памяти персонального компьютера используются запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте - стримеры.

Накопители на дисках - это устройства для чтения и записи с магнитных или оптических носителей. Назначение этих накопителей - хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее устройство.

НЖМД и НГМД различаются лишь конструктивно, объемами хранимой информации и временем поиска, записи и считывания информации.

В качестве запоминающей среды у магнитных дисков используются магнитные материалы со специальными свойствами, позволяющими фиксировать два магнитных состояния - два направления намагниченности. Каждому из этих состояний ставятся в соответствие двоичные цифры 0 и 1. Информация на магнитные диски записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических окружностей - дорожек (треков). Количество дорожек на диске и их информационная емкость зависят от типа диска, конструкции накопителя, качества магнитных головок и магнитного покрытия. Каждая дорожка разбита на секторы. В одном секторе обычно размещается 512 байт данных. Обмен данными между накопителем на магнитном диске и оперативной памятью осуществляется последовательно целым числом секторов. Для жесткого магнитного диска используется также понятие цилиндра - совокупности дорожек, находящихся на одинаковом расстоянии от центра диска.

Диски относятся к машинным носителям информации с прямым доступом. Это означает, что компьютер может обратиться к дорожке, на которой начинается участок с искомой информацией или куда нужно записать новую информацию, непосредственно, где бы ни, находилась головка записи и чтения накопителя.

Все диски - и магнитные, и оптические - характеризуются своим диаметром (форм-фактором). Из гибких магнитных дисков наибольшее распространение получили диски диаметром 3,5(89 мм). Емкость этих дисков составляет 1,2 и 1,44 Мбайт.

Накопители на жестких магнитных дисках получили название «винчестер». Этот термин возник из жаргонного названия первой модели жесткого диска, имевшего 30 дорожек по 30 секторов каждая, что случайно совпало с калибром охотничьего ружья «винчестер». Емкость накопителя на жестком магнитном диске измеряется в Мбайтах и Гбайтах.

В последнее время появились новые накопители на магнитных дисках - ZIP-диске - переносные устройства емкостью 230-280 Мбайт.

В последние годы самое широкое распространение получили накопители на оптических дисках (CD-ROM). Благодаря маленьким размерам, большой емкости и надежности эти накопители становятся все более популярными. Емкость накопителей на оптических дисках - от 640 Мбайт и выше.

Оптические диски делятся на неперезаписываемые лазерно-оптические диски, перезаписываемые лазерно-оптические диски и перезаписываемые магнитооптические диски. Неперезаписываемые диски поставляются фирмами-изготовителями с уже записанной на них информацией. Запись информации на них возможна только в лабораторных условиях, вне компьютера.

Кроме основной своей характеристики - информационной емкости, дисковые накопители характеризуются и двумя временными показателями:

временем доступа;

скоростью считывания подряд расположенных байтов.