Микросхемы NAND памяти фирмы HYNIX. Микросхемы FLASH-памяти фирмы SAMSUNG Запись данных в микросхему памяти
Теоретическая часть
Постараюсь быть предельно краток, чтобы все мы успели приготовить салат оливье с запасом к праздничному столу, поэтому часть материала будет в виде ссылок: захотите – почитаете на досуге…Какая память бывает?
На настоящий момент есть множество вариантов хранения информации, какие-то из них требуют постоянной подпитки электричеством (RAM), какие-то навсегда «вшиты» в управляющие микросхемы окружающей нас техники (ROM), а какие-то сочетают в себе качества и тех, и других (Hybrid). К последним, в частности, и принадлежит flash. Вроде бы и энергонезависимая память, но законы физики отменить сложно, и периодически на флешках перезаписывать информацию всё-таки приходится.Единственное, что, пожалуй, может объединять все эти типы памяти – более-менее одинаковый принцип работы. Есть некоторая двумерная или трёхмерная матрица, которая заполняется 0 и 1 примерно таким образом и из которой мы впоследствии можем эти значения либо считать, либо заменить, т.е. всё это прямой аналог предшественника – памяти на ферритовых кольцах .
Что такое flash-память и какой она бывает (NOR и NAND)?
Начнём с flash-памяти. Когда-то давно на небезызвестном ixbt была опубликована довольно о том, что представляет собой Flash, и какие 2 основных сорта данного вида памяти бывают. В частности, есть NOR (логическое не-или) и NAND (логическое не-и) Flash-память ( тоже всё очень подробно описано), которые несколько отличаются по своей организации (например, NOR – двумерная, NAND может быть и трехмерной), но имеют один общий элемент – транзистор с плавающим затвором.
Схематическое представление транзистора с плавающим затвором.
Итак, как же это чудо инженерной мысли работает? Вместе с некоторыми физическими формулами это описано . Если вкратце, то между управляющим затвором и каналом, по которому ток течёт от истока к стоку, мы помещаем тот самый плавающий затвор, окружённый тонким слоем диэлектрика. В результате, при протекании тока через такой «модифицированный» полевой транзистор часть электронов с высокой энергией туннелируют сквозь диэлектрик и оказываются внутри плавающего затвора. Понятно, что пока электроны туннелировали, бродили внутри этого затвора, они потеряли часть энергии и назад практически вернуться не могут.
NB: «практически» - ключевое слово, ведь без перезаписи, без обновления ячеек хотя бы раз в несколько лет Flash «обнуляется» так же, как оперативная память, после выключения компьютера.
Опять мы имеем двумерный массив, который необходимо заполнить 0 и 1. Так как на накопление заряда на плавающем затворе уходит довольно продолжительное время, то в случае RAM применяется иное решение. Ячейка памяти состоит из конденсатора и обычного полевого транзистора. При этом сам конденсатор имеет, с одной стороны, примитивное физическое устройство, но, с другой стороны, нетривиально реализован в железе:
Устройство ячейки RAM.
Опять-таки на ixbt есть неплохая , посвящённая DRAM и SDRAM памяти. Она, конечно, не так свежа, но принципиальные моменты описаны очень хорошо.
Единственный вопрос, который меня мучает: а может ли DRAM иметь, как flash, multi-level cell? Вроде да , но всё-таки…
Часть практическая
Flash
Те, кто пользуется флешками довольно давно, наверное, уже видели «голый» накопитель, без корпуса. Но я всё-таки кратко упомяну основные части USB-Flash-накопителя:
Основные элементы USB-Flash накопителя: 1. USB-коннектор, 2. контроллер, 3. PCB-многослойная печатная плата, 4. модуль NAND памяти, 5. кварцевый генератор опорной частоты, 6. LED-индикатор (сейчас, правда, на многих флешках его нет), 7. переключатель защиты от записи (аналогично, на многих флешках отсутствует), 8. место для дополнительной микросхемы памяти.
Пойдём от простого к сложному. Кварцевый генератор (подробнее о принципе работы ). К моему глубокому сожалению, за время полировки сама кварцевая пластинка исчезла, поэтому нам остаётся любоваться только корпусом.
Корпус кварцевого генератора
Случайно, между делом, нашёл-таки, как выглядит армирующее волокно внутри текстолита и шарики, из которых в массе своей и состоит текстолит. Кстати, а волокна всё-таки уложены со скруткой, это хорошо видно на верхнем изображении:
Армирующее волокно внутри текстолита (красными стрелками указаны волокна, перпендикулярные срезу), из которого и состоит основная масса текстолита
А вот и первая важная деталь флешки – контроллер:
Контроллер. Верхнее изображение получено объединением нескольких СЭМ-микрофотографий
Признаюсь честно, не совсем понял задумку инженеров, которые в самой заливке чипа поместили ещё какие-то дополнительные проводники. Может быть, это с точки зрения технологического процесса проще и дешевле сделать.
После обработки этой картинки я кричал: «Яяяяязь!» и бегал по комнате. Итак, Вашему вниманию представляет техпроцесс 500 нм во всей свой красе с отлично прорисованными границами стока, истока, управляющего затвора и даже контакты сохранились в относительной целостности:
«Язь!» микроэлектроники – техпроцесс 500 нм контроллера с прекрасно прорисованными отдельными стоками (Drain), истоками (Source) и управляющими затворами (Gate)
Теперь приступим к десерту – чипам памяти. Начнём с контактов, которые эту память в прямом смысле этого слова питают. Помимо основного (на рисунке самого «толстого» контакта) есть ещё и множество мелких. Кстати, «толстый» < 2 диаметров человеческого волоса, так что всё в мире относительно:
СЭМ-изображения контактов, питающих чип памяти
Если говорить о самой памяти, то тут нас тоже ждёт успех. Удалось отснять отдельные блоки, границы которых выделены стрелочками. Глядя на изображение с максимальным увеличением, постарайтесь напрячь взгляд, этот контраст реально трудно различим, но он есть на изображении (для наглядности я отметил отдельную ячейку линиями):
Ячейки памяти 1. Границы блоков выделены стрелочками. Линиями обозначены отдельные ячейки
Мне самому сначала это показалось как артефакт изображения, но обработав все фото дома, я понял, что это либо вытянутые по вертикальной оси управляющие затворы при SLC-ячейке, либо это несколько ячеек, собранных в MLC. Хоть я и упомянул MLC выше, но всё-таки это вопрос. Для справки, «толщина» ячейки (т.е. расстояние между двумя светлыми точками на нижнем изображении) около 60 нм.
Чтобы не лукавить – вот аналогичные фото с другой половинки флешки. Полностью аналогичная картина:
Ячейки памяти 2. Границы блоков выделены стрелочками. Линиями обозначены отдельные ячейки
Конечно, сам чип – это не просто набор таких ячеек памяти, внутри него есть ещё какие-то структуры, принадлежность которых мне определить не удалось:
Другие структуры внутри чипов NAND памяти
DRAM
Всю плату SO-DIMM от Samsung я, конечно же, не стал распиливать, лишь с помощью строительного фена «отсоединил» один из модулей памяти. Стоит отметить, что тут пригодился один из советов, предложенных ещё после первой публикации – распилить под углом. Поэтому, для детального погружения в увиденное необходимо учитывать этот факт, тем более что распил под 45 градусов позволил ещё получить как бы «томографические» срезы конденсатора.Однако по традиции начнём с контактов. Приятно было увидеть, как выглядит «скол» BGA и что собой представляет сама пайка:
«Скол» BGA-пайки
А вот и второй раз пора кричать: «Язь!», так как удалось увидеть отдельные твердотельные конденсаторы – концентрические круги на изображении, отмеченные стрелочками. Именно они хранят наши данные во время работы компьютера в виде заряда на своих обкладках. Судя по фотографиям размеры такого конденсатора составляют около 300 нм в ширину и около 100 нм в толщину.
Из-за того, что чип разрезан под углом, одни конденсаторы рассечены аккуратно по середине, у других же срезаны только «бока»:
DRAM память во всей красе
Если кто-то сомневается в том, что эти структуры и есть конденсаторы, то можно посмотреть более «профессиональное» фото (правда без масштабной метки).
Единственный момент, который меня смутил, что конденсаторы расположены в 2 ряда (левое нижнее фото), т.е. получается, что на 1 ячейку приходится 2 бита информации. Как уже было сказано выше, информация по мультибитовой записи имеется, но насколько эта технология применима и используется в современной промышленности – остаётся для меня под вопросом.
Конечно, кроме самих ячеек памяти внутри модуля есть ещё и какие-то вспомогательные структуры, о предназначении которых я могу только догадываться:
Другие структуры внутри чипа DRAM-памяти
Послесловие
Помимо тех ссылок, что раскиданы по тексту, на мой взгляд, довольно интересен данный обзор (пусть и от 1997 года), сам сайт (и фотогалерея, и chip-art, и патенты, и много-много всего) и данная контора , которая фактически занимается реверс-инжинирингом.К сожалению, большого количества видео на тему производства Flash и RAM найти не удалось, поэтому довольствоваться придётся лишь сборкой USB-Flash-накопителей:
P.S.:
Ещё раз всех с наступающим Новым Годом чёрного водяного дракона!!!
Странно получается: статью про Flash хотел написать одной из первых, но судьба распорядилась иначе. Скрестив пальцы, будем надеяться, что последующие, как минимум 2, статьи (про биообъекты и дисплеи) увидят свет в начале 2012 года. А пока затравка - углеродный скотч:
Углеродный скотч, на котором были закреплены исследуемые образцы. Думаю, что и обычный скотч выглядит похожим образом
Микросхемы репрограммируемой постоянной памяти с электрическим стиранием данных, выполненные по технологии FLASH, заняли прочные позиции в электронной и вычислительной технике, потеснив другие виды энергонезависимых запоминающих устройств. Их главное достоинство - возможность перепрограммирования "в системе", не выпаивая микросхему из печатной платы или не вынимая ее из панели. Большое допустимое число циклов перепрограммирования позволяет строить на таких микросхемах "FLASH-диски" объемом в десятки мегабайт, отличающиеся от обычных накопителей на жестких или гибких магнитных дисках полным отсутствием движущихся частей. Благодаря этому они долговечны и способны работать в условиях сильной вибрации, например, на автомобилях и других движущихся объектах. Публикуемая статья посвящена вопросам программирования микросхем FLASH-памяти.
От РПЗУ других типов микросхемы FLASH-памяти отличает наличие непосредственно на кристалле встроенного "программатора" - автомата стирания и записи (АC3). Он освобождает от необходимости в процессе программирования подавать на выводы микросхемы повышенное напряжение, формировать определенные последовательности импульсов. Все это АC3 делает самостоятельно и незаметно для пользователя, которому остается лишь с помощью соответствующей команды сообщить адрес ячейки и код, который следует в нее записать, и ждать завершения операции. Во многих случаях длительную операцию (например, стирание блока данных) можно приостановить, прочитать нужную информацию из другой области памяти, а затем продолжить.
Сегодня многие фирмы (наиболее известные Intel. AMD. Atmel. Winbond) выпускают большой ассортимент микросхем FLASH-памяти объемом до 4 Мбайт. Их внешний интерфейс бывает параллельным или последовательным. Микросхемы с последовательным интерфейсом предназначены в основном для хранения небольших массивов данных в малогабаритных или специализированных устройствах, например, для запоминания фиксированных настроек радиоприемника или программы работы бытового электроприбора.
Далее речь пойдет о "параллельных" FLASH-микросхемах, которые по физическому и логическому устройству интерфейса с процессором ничем не отличаются от обычных ПЗУ за исключением того, что у них, подобно ОЗУ, имеется вход разрешения записи. Именно в таких микросхемах хранят коды BIOS современных компьютеров. Организация данных бывает восьми- или 16-разрядной. Нередко ее можно выбирать, соединяя специально предусмотренный вывод с общим проводом или источником питания. Кроме шин адреса и данных, к микросхемам подводят три управляющих сигнала: выбор кристалла (СЕ), включение выхода (ОЕ) и разрешение записи (WE). Последний - только в случае, если микросхему необходимо программировать. Минимальная длительность цикла чтения - 70... 150 нc.
В первых FLASH-микросхемах массив ячеек памяти представлял собой единый блок, причем стереть данные можно было только целиком из всего массива. Во многих современных микросхемах память разбита на блоки, и стирание данных в одном из них не влияет на хранящиеся в других. Размеры блоков бывают самыми разными - от 128 байт до 128 Кбайт и более. Однако при чтении данных вся память микросхемы рассматривается как единый массив и то. что физически она разделена на блоки, не имеет никакого значения.
Обычно блоки одинаковы и равноправны, но могут быть и разными. Например, в микросхемах серии 28Fxxx фирмы Intel имеются так называемый загрузочный (boot) блок объемом 16 Кбайт и два блока параметров по 8 Кбайт каждый. Далее следует блок объемом 96 Кбайт, а оставшаяся часть памяти состоит из блоков по 128 Кбайт. Свойства названных блоков несколько различаются. Для загрузочного предусмотрена аппаратная защита от записи и стирания. Ее включают, подав соответствующий логический уровень на специально предусмотренный вывод микросхемы. Блоки параметров предназначены для хранения часто изменяемых данных и выдерживают большее, по сравнению с другими, число циклов стирания/записи.
Каждую из микросхем рассматриваемой серии изготавливают в двух вариантах, различающихся размещением блоков в адресном пространстве. В микросхемах с индексом В (bottom) они расположены, начиная с нулевого адреса, в указанном выше порядке. В изделиях с индексом Т (top) порядок обратный (загрузочный - в области старших адресов).
Выпускаемые в настоящее время микросхемы FLASH-памяти рассчитаны на номинальные напряжения питания от 2.7 до 5 В. Повышенное напряжение (12 В) для них не требуется вовсе или необходимо лишь в некоторых специальных режимах. В пассивном ("невыбранном") состоянии такие микросхемы потребляют от источника питания ток не более 1 мА (в большинстве случаев - в десятки раз меньше). Иногда предусмотрен особый режим полного выключения (sleep mode), в котором потребление пренебрежимо мало. Правда, читать данные из "заснувшей" микросхемы невозможно, а чтобы "разбудить" ее. порой требуется несколько десятков микросекунд. Потребляемый ток в активном режиме - десятки миллиампер, причем, если перевести в пассивное состояние микросхему, АC3 которой выполняет длительную операцию (например, стирает данные), ток не уменьшится до тех пор, пока она не завершится.
Большое внимание уделяют защите хранящихся во FLASH-памяти данных от случайного изменения, особенно под воздействием помех и переходных процессов при включении и выключении питания. В большинстве случаев предусмотрено три вида аппаратной защиты. Первый заключается в том. что на импульсы в цепи WE длительностью менее 15...20 не микросхема не реагирует, второй - в том, что при низком логическом уровне на входе ОE никакие манипуляции сигналами на других входах не могут вызвать запись, третий - в том. что при уменьшении напряжения питания ниже некоторого уровня АC3 отключается. У микросхем разных типов порог отключения находится в пределах 1.5...3.8В.
Иногда предусмотрена возможность полного запрета изменения и стирания всего массива данных или его частей. Для наложения или снятия такого запрета обычно требуются "экстраординарные" меры (например, кратковременная подача повышенного напряжения на определенные выводы).
Предусматривается и программная защита. Для изменения содержимого ячейки FLASH-памяти недостаточно, как в обычном ОЗУ. записать один код по одному адресу. Необходима команда, состоящая из нескольких кодов, записываемых по определенным адресам.
Любая FLASH-микросхема способна сообщить свой тип устройству, в которое она установлена, что позволяет автоматически выбирать нужные алгоритмы записи и стирания данных. Для программного включения и выключения режима считывания идентификаторов предусмотрены соответствующие команды. Включив его, по адресу ОН читают идентификатор изготовителя, а по адресу 1Н - устройства (идентификаторы некоторых микросхем приведены в таблице). В этом же режиме, но по другим адресам, в некоторых случаях можно получить дополнительную информацию, например, о состоянии аппаратной защиты от записи.
Перейти в режим чтения идентификаторов можно и без команды, подав на адресный вход А9 напряжение +12 В. Допускаемое отклонение его величины у микросхем разных типов различно. В одних случаях оно не более ±5%. в других достаточно, чтобы напряжение лишь превысило некоторое значение, например 10 В. Идентификаторы читают по указанным выше адресам, устанавливая их без учета разряда А9. Обычно этот способ применяют в универсальных программаторах.
АC3 большинства микросхем FLASH-памяти воспринимают команды, подаваемые в соответствии с так называемым стандартом JEDEC, хотя есть и исключения. Иногда при модернизации микросхем их систему команд дополняют стандартными кодовыми комбинациями, сохраняя, однако, и старые команды (это необходимо для того, чтобы модернизированные кристаллы могли работать в ранее выпущенных устройствах). Свою систему команд применяет фирма Intel.
Прежде чем подробно рассматривать команды, расскажем немного О подключении FLASH-микросхем. Однотипные микросхемы, как правило, выпускают в корпусах нескольких типов, различающихся расположением, шагом и числом выводов. Нередко предусматривают "зеркальные" варианты, позволяющие устанавливать микросхемы на любой стороне платы, не изменяя топологию печатных проводников.
Номера выводов на приводимых ниже схемах стандартны для микросхем памяти объемом 512 Кбайт в наиболее распространенных 32-выводных корпусах PLCC и PDIP. "Цоколевка" микросхем меньшего объема аналогична, но выводы старших разрядов у них не подключены (например, у Am29F010 свободны 30-й и 1 -й).
Схему, подобную показанной на рис. 1, применяют, если необходимо стирать и записывать данные, не извлекая микросхему из микропроцессорной, системы.
Предполагается, что системная шина данных - восьмиразрядная, адреса - 16-разрядная. ПЗУ отведено в адресном пространстве 32 Кбайт, остальную его часть может занимать ОЗУ Так как объем памяти Am29F040 - 512 Кбайт, предусмотрен регистр страницы FLASH-памяти, управляющий старшими разрядами адреса. Для чтения и записи данных можно воспользоваться следующими простыми процедурами (написанными на языке Pascal):
Если необходимо запрограммировать FLASH-микросхему вне устройства, в котором она будет работать, ее можно подключить к персональному компьютеру. Проще всего это сделать, установив в компьютер дополнительную плату параллельного ввода/вывода. Такие платы, например, PCL-731 фирмы Advantech, DIO-48 фирмы IOP DAS или PET-48DIO фирмы ADLink имеются в продаже. Как правило, у них 48 входов/выходов и работают они аналогично двум микросхемам 8255 (КР5806В55А) в режиме О с теми же информационными и управляющими портами, даже если в действительности таких микросхем в их составе нет. При необходимости плату параллельного ввода/вывода можно изготовить самостоятельно, воспользовавшись статьей Н. Васильева "Расширитель интерфейса PC" ("Радио", 1994, № 6, с. 20, 21).
Для чтения или программирования FLASH-микросхему подключают к портам двух микросхем 8255 по схеме, показанной на рис. 2. Порт РА первой из них использован для ввода/вывода данных, отдельные разряды ее же порта PC - для вывода сигналов управления СЕ, OЕ и WE. Порты РА, РВ и PC второй образуют 24-разрядную шину адреса FLASH-микросхемы. Если достаточна меньшая разрядность этой шины, соответствующее число старших разрядов порта PC не подключают.
Порты платы ввода/вывода и вспомогательные константы должны быть описаны в программе следующим образом:
А описанные выше процедуры обращения к FLASH-памяти заменяют следующими:
Теперь - собственно о программировании FLASH-микросхем. По стандарту JEDEC каждая команда начинается записью кода ОААН по адресу 5555Н. Далее записывают код 55Н по адресу 2АААН и в заключение - код выполняемой операции по адресу 5555Н.
Говоря, например, о команде 40Н, мы будем подразумевать именно такую последовательность с числом 40Н в качестве кода операции.
После включения питания любая FLASH-микросхема автоматически входит в этот режим и устанавливать его специальной командой нет необходимости. Однако она требуется, например, для возврата из режима чтения идентификаторов. Иногда ее называют командой сброса или начальной установки. Для перевода некоторых микросхем в режим чтения массива достаточно одного цикла записи кода 0F0H по любому адресу.
Следующий за командой 0А0Н цикл записи содержит адрес программируемой ячейки и записываемый в нее код. В большинстве случаев для записи в каждую ячейку требуется подать отдельную команду. Имейте в виду, что подобно обычным РПЗУ, в разрядах программируемой ячейки можно лишь заменять логические единицы нулями. Для выполнения обратной операции требуется, как правило, предварительно стереть содержимое целого блока памяти и повторить программирование всех его ячеек. Учтите, что АC3 многих FLASH-микросхем не распознают подобные ошибки и сообщают об успешном выполнении операции. Чтобы убедиться в правильности программирования, необходимо контрольное считывание записанных данных.
В микросхемах фирмы Winbond с блоками размером 128 байт программированию любой ячейки автоматически предшествует стирание всех данных содержащего ее блока. Поэтому всегда следует предварительно скопировать блок в оперативную память, внести нужные изменения в копию и запрограммировать заново все 128 байт. Получив команду ОАОН, адрес и первый из программируемых байтов, АC3 заносит его во внутренний буфер блока и ждет 200 мкс, не начиная программирования. Если за это время будут получены еще одна команда ОАОН и очередной байт, он тоже поступит в буфер, а АC3 будет ждать следующий еще 300 мкс. Так продолжается до тех пор. пока не будут получены все 128 байт блока или пауза не превысит допустимого значения (300 мкс). После этого АC3 стирает блок и начинает собственно программирование. Последовательность записи в буфер данных, предназначенных для различных ячеек блока, не имеет значения, но те ячейки, данные для которых не поступили, после программирования будут содержать коды 0FFH.
Существует два способа записи данных для программирования в подобную микросхему. Первый из них (для других обычный) называют программно защищенным. Каждому записываемому байту должна предшествовать команда ОАОН. Однако защиту можно отключить, подав последовательно команды 80Н и 20Н.
После этого записываемый по любому адресу байт попадает во внутренний буфер микросхемы, и такой режим сохраняется даже после отключения и включения питания. Выходят из него по команде ОАОН.
Для записи данных во FLASH-микро-схему фирмы Intel предусмотрено два равносильных варианта команды. Прежде всего, по любому адресу записывают один из кодов 40Н или 10Н. а затем - программируемый код по нужному адресу.
Команда "Стереть всю память" .
Эту ответственную операцию АC3 FLASH-микросхемы начинает, получив последовательность из двух команд - 80Н и 10Н.
Микросхемам фирмы Intel аналогичную команду подают записью по произвольным адресам кодов 20Н и 0D0H
Стирание всего содержимого памяти занимает от десятков миллисекунд до нескольких секунд. В некоторых микросхемах предусмотрена возможность приостановки этого процесса записью кода ОВОН по любому адресу. После записи (также по любому адресу) кода 30Н (для микросхем фирмы Intel - ODOH) стирание продолжится.
Команда "Стереть блок" . Чтобы стереть содержимое блока памяти, необходимо подать две команды. Первая из них - 80Н, вторая отличается тем, что ее код операции 90Н должен быть записан не по адресу 5555Н, а по адресу любой из ячеек стираемого блока.
В микросхемы фирмы Intel достаточно записать код 90Н по любому адресу. Выходят из этого режима рассмотренной выше командой "Читать массив данных".
Как проверить завершение выполнения "длинных" команд программирования и стирания данных? Проще всего - воспользоваться справочными данными микросхемы и предусмотреть программное формирование соответствующих задержек. Но фактическое время выполнения тех или иных операций нередко существенно отличается от справочных значений даже для разных ячеек и блоков одной микросхемы, увеличиваясь по мере "старения" последней.
Точно узнать момент окончания той или иной операции позволяет считывание регистра состояния АC3. FLASH -микросхема выдает на шину данных содержимое этого регистра все время, пока АC3 занят выполнением процедуры стирания или программирования. Существует два признака того, что процесс не закончен. Первый заключается в том, что значение бита D7 регистра состояния инверсно по отношению к записываемому в тот же бит ячейки памяти значению (во время стирания - равно 0). По завершении операции оно совпадет с записанным. Второй признак - "мерцание" бита D6 (его значение изменяется при каждом чтении регистра, пока операция не завершится).
Как правило, наблюдаются оба признака, однако встречаются и исключения. Например, в микросхемах фирмы Intel "мерцающий" бит отсутствует, а бит D7 во время программирования равен 0 независимо от записываемого кода. Об окончании операции в данном случае свидетельствует D7=1. В микросхемах с блочной записью (например, фирмы Winbond) значение бита D7 инверсно аналогичному биту последнего из кодов, записанных в буфер блока-
Обычно по завершении программирования или стирания FLASH-микросхе-ма автоматически возвращается в режим чтения массива данных, но микросхемам фирмы Intel для этого требуется соответствующая команда.
Если микросхема неисправна, "длинная" операция может никогда не завершиться, в результате чего управляющий программированием компьютер "зависнет". Во избежание этого следует предусмотреть проверку продолжительности операций стирания и программирования и в случае превышения разумного значения - "аварийный" выход с выдачей сообщения о неисправности.
Иногда, особенно при работе с микросхемами, прошедшими близкое к предельному число циклов стирания/программирования, имеет смысл повторить неудачную операцию несколько раз. Одна из попыток может оказаться успешной.
В заключение - несколько слов об утилитах, позволяющих обновить BIOS компьютера, хранящуюся во FLASH-памяти. Они разрабатываются для каждого типа системных (материнских) плат и учитывают особенности подключения FLASH-микросхем к системным шинам. Поэтому попытки воспользоваться утилитой, предназначенной для платы одного типа, чтобы обновить BIOS другой, зачастую приводят к полному отказу компьютера.
Утилиту запускают как обычную прикладную программу, указав в качестве параметра имя файла, содержащего коды новой версии BIOS. Она читает этот файл, создавая в ОЗУ массив данных, подлежащих записи во FLASH-память. Затем определяет тип микросхемы и выбирает соответствующие процедуры для работы с ней. После этого начинается стирание старых и запись новых данных, причем в это время программа не может пользоваться никакими функциями BIOS, в том числе и для вывода информации на экран или опроса клавиатуры. Если делать это все-таки необходимо, нужные подпрограммы вводят в состав самой утилиты. После завершения программирования и проверки его правильности обычно следует перезапуск компьютера, и он начинает "новую жизнь" с обновленной BIOS.
Читайте и пишите полезные
Модуль поиска не установлен.
Немного о флэш-памяти
Сегодня такой раздел (модуль, элемент - можете называть ее как угодно), как флэш-память, является неотъемлемой частью практически всех комплектующих компьютера (будь то звуковая карта, винчестер, модем, магнитооптические накопители или CD-ROM), использующих в своей работе память, да и не только компьютера (!). Но что же на самом деле представляет собой флэш-память? Этому и другому посвящена данная статья.
Флэш-память является довольно важным разделом, в котором хранятся обновляемые программы и модули программ. Используется флэш-память в самых различных системах, даже в BIOS, сотовых телефонах, пейджерах и т.д. Использование флэш-памяти для хранения различных параметрических данных позволяет не только повысить производительность той или иной системы, но и дает возможность увеличить ее надежность и понизить стоимость. Например, в модемах широко распространены параметрические блоки флэш-памяти, благодаря которым осуществляется работа модема как автоответчика, и при этом можно оставить сообщение даже при выключенном компьютере. Что касается сотовых телефонов, то в них модули флэш-памяти используются для хранения телефонных номеров, учета времени, идентификатора пользователя и многого другого. Флэш-память применяется даже на автомобилях в системах управления двигателем и по-дачи и нормирования топлива, ведя учет не только работы, но и возникших неполадок.
Технология модулей флэш-памяти
По работе флэш-память сравнима с модулями оперативной памяти компьютера. Флэш-память модифицируется в системе на электронном уровне. Но в отличие от оперативной памяти флэш-память энергонезависима. Т.е. она работает наподобие блока постоянного запоминающего устройства и способна хранить информацию и данные долгосрочно даже после отключения питания. Кроме того, если в оперативную память можно записать (и стереть из нее) информацию побайтно, т.е., например, целым файлом, то при работе флэш-памяти такого не происходит. Вся информация записывается и стирается на модуле флэш-памяти байт за байтом. И наконец, последнее отличие - чтобы записать в оперативную память информацию, предыдущую стирать не нужно, потому что при записи новых данных старые автоматически стираются. На блоке флэш-памяти сначала нужно удалить старую информацию, а затем уже можно записывать новую.
Работа флэш-памяти содержит только три операции - запись или программирование, чтение, стирание. На каждую из операций требуется определенное время. Например, для чтения одного параметрического блока затрачивается примерно 60 нс., а для записи 9 мкс. На операцию стирания информации в среднем затрачивается от 0,6 до 4,5 секунды. Это самая долгая операция.
Программирование флэш-памяти - это, так сказать, замена "1" на "0", а стирание - замена "0" на "1". В качестве "0" и "1" во флэш-памяти используются блоки, которые имеют фиксированные адреса. Каждый блок содержит несколько ячеек, в которых и располагается информация. При записи различной информации количество ячеек постоянно меняется. При стирании информации на модуле флэш-памяти стираются сами блоки. Их стирание влечет за собой удаление всех ячеек, находящихся в блоке.
Модули флэш-памяти имеют ограниченный срок службы. Но несмотря на это, микросхемы Flash Memory Boot Block (такое они имеют название) должны выдерживать не менее 100 тысяч циклов перезаписи при напряжении 5 вольт. Одним циклом перезаписи считается законченный цикл операций записи и стирания одного и того же блока информации объемом не менее 8 Кб. Естественно, что на микросхему за раз можно записать гораздо больше информации, чем 8 Кб, поэтому ресурс микро-схемы зависит не только от цикла перезаписи, но и от объема перезаписываемой информации и от частоты (периодичности) ее обновления.
Для записи и стирания информации применяются специальные программные методы и алгоритмы. Они применяются из-за того, что отдельную ячейку из блока удалить невозможно. Программные алгоритмы помогают осуществить эмуляцию перезаписи байта, используя два параметрических блока размером 8 Кб.
Структура блочных (параметрических) данных в микросхеме
В микросхемах флэш-памяти для более удобной организации данных в блоках разработана особая структура данных, которая представляет собой форму связных списков. Каждая запись, заносимая в этот список, состоит из двух полей. В первое поле заносится значение параметра заносимой записи. Во втором поле указывается адрес для следующей записи этого же параметра. Первое поле обозначается как "Parameter". После "Parameter" стоит номер, например Parameter1. Также в списке имеется ParameterХ, который является, так сказать, переменным указателем, в котором содержится адрес первой записи данного параметра. Если какая-либо ячейка блока содержит значение Parameter1, то в этой ячейке указан адрес первой записи параметра, который содержит первое значение Parameter1 и адрес второй записи Parameter1. Вторая запись, в свою очередь, содержит последнее значение данного параметра и адрес третьей записи.
В последней записи, обычно в поле "Next_Record", заносится код, который обозначается как FFh. Он указывает на то, что последующих записей больше нет. Этот код представляет собой значение стертого байта по умолчанию.
Вследствие вышесказанного, процесс записи информации во флэш-память или какое-либо изменение параметров происходит следующим образом - программа находит первую свободную ячейку в каком-нибудь блоке, новое значение заносится в поле значения новой записи, а чтобы запись была закончена, программа обновляет поле Next_Record. Причем обновление этого поля происходит в пре-дыдущей записи. В результате получается, что каждая последующая запись имеет связь с предыдущей. Такие структуры и особенности записи информации называются связными списками.
При чтении данных программе совсем не обязательно просматривать все списки. Да такого и не происходит. Программа просто находит последнее значение данного параметра и по его указателю читает нужные коды.
В таблице ниже приведен пример структуры самого простого связного списка. В данном примере (то же самое относится к любой другой структуре) Parameter_Value является переменным и зависит в большей степени от специфики и объема заносимой информации.
| Значение | Адрес | Параметр |
| 01H | Parameter1 | Parameter1 Pointer Variable |
| 03H | Parameter2 | Parameter2 Pointer Variable |
| 05H | Parameter3 | Parameter3 Pointer Variable |
| F8H | 01H | Parameter1 Value = F8H |
| 07H | 02H | Parameter1 Next_Record = 07H |
| 22H | 03H | Parameter2 Value = 22H |
| 09H | 04H | Parameter2 Next_Record = 09H |
| 44H | 05H | Parameter3 Value = 44H |
| FFH | 06H | Parameter3 Next_Record = FFH = latest |
| 55H | 07H | Parameter1 Value = 55H |
| 0BH | 08H | Parameter1 Next_Record = 0BH |
| F2H | 09H | Parameter2 Value = F2H |
| FFH | 0AH | Parameter2 Next_Record = FFH = latest |
| F4H | 0BH | Parameter1 Value = F4H |
| FFH | 0CH | Parameter1 Next_Record = FFH = latest |
В более новых разработках технологии записи информации во флэш-память в списки добавляется еще один параметр, который указывает только на то, что определенная запись параметра является самой последней (или обновленной). Поле для этого параметра получило название "Parameter ID". Для считывания в этом случае программа вынуждена проходить (и считывать) каждый параметр, пока не "наткнется" на последнее значение просматриваемого параметра. Но несмотря на это, применение такого способа является альтернативой традиционному способу.
Процесс записи или запоминания информации может происходить до того момента, пока не останется свободного места в модуле флэш-памяти и пока будет допустимо записать полный законченный параметрический блок. При этом в нем должно остаться место для полной записи. После заполнения последнего блока, для того чтобы списки были связными, последнее значение каждого параметра заносится во второй блок.
Очистка флэш-памяти
После полного заполнения всего допустимого объема блока флэш-памяти запись последующей информации в него, как говорилось выше, становится невозможной. Для этого следует очистить флэш-память.
Очистка модуля флэш-памяти представляет собой стирание одного, нескольких или всех параметрических блоков. При этом процесс стирания происходит за счет поэтапной перезаписи и стирания информации. Например, для того чтобы стереть первый параметрический блок, программе необходимо информацию из него перенести во второй блок, а уже после этого происходит стирание первого. Причем во второй блок переносится не вся информация, содержащаяся в первом блоке, а только действительные значения параметров, относящиеся к последующим блокам.
Но даже здесь есть свои особенности! Выше говорилось, что на процесс стирания параметрического блока выделяется до 4,5 секунды. Для такой операции это довольно много. Кроме того, при работе системы столько времени может не оказаться. Все же стирание флэш-памяти не основная и не единственная задача, выполняемая системой. Поэтому программами для работы с флэш-памятью предусмотрена функция приостановки процесса стирания. Приостановка стирания включается в тех случаях, когда системе необходимо прочитать данные, находящиеся в других параметрических блоках. Команду приостановки стирания дает программа, управляющая модулем флэш-памяти. При выполнении этой программы модуль находится в подвешенном состоянии. Аналогичным примером может послужить "зависание" компьютера при работе. Но в случае с флэш-памятью "зависание" относится только к задаче стирания (и к тому же программа в любую секунду может продолжить эту операцию), а что касается чтения, то для этого нет никаких преград. После того как система прочитает данные, расположенные в других блоках, программа в модуль (микросхему) посылает сигнал о продолжении операции стирания. Стирание параметрического блока будет продолжено с того момента, где оно было прервано. Но пока операция стирания блока не будет полностью закончена, новые данные на его место записать будет невозможно.
Возможно, в будущем будет разработан алгоритм, который позволит осуществить запись новой информации после приостановки стирания. Но пока его нет, и приходится довольствоваться тем, что есть.
Кроме всех перечисленных нюансов работы флэш-памяти, она еще и использует определенное количество оперативной памяти.
В связи с этим возникают определенные требования к системе.
Что же нужно для полноценной работы флэш-памяти?
Объем оперативной памяти, используемый при работе флэш-памяти, зависит, в первую очередь, от характера и сложности заложенной в программу базы работы модуля. Программа, отвечающая за работу модуля флэш-памяти, разделена на подпрограммы, которые выполняют каждая свою функцию. Но в оперативную память загружаются не подпрограммы, а вся программа целиком. Размер кода каждой подпрограммы (подпрограммы для операции записи, стирания, чтения) составляет от 512 байт до 1 Кб.
Еще одним весомым аргументом является то, что программа примерным объемом в 15 Кб загружена в сам модуль флэш-памяти, а в оперативную память выгружается только 1..2 Кб.
Поэтому можно сделать вывод, что первым и довольно весомым требованием к системе будет размер оперативной памяти. Для качест-венной полноценной работы модуля флэш-памяти (и системы в целом) необходимо минимум 16 Мб (а лучше 32 Мб).
Для быстрой и стабильной работы кроме оперативной памяти необходимо выбрать правильный режим питания. Существуют модули, работающие при питании 3,3, 5 и 12 вольт. Большинство современных модулей ориентировано на питание от 12- вольтового источника. Такое напряжение необходимо, в част-ности, для операций внутрисистемного стирания информации и ее записи. Но некоторые микросхемы, ориентированные на 12 вольт, способны работать от источника напряжением 5 вольт. При этом работа флэш-памяти при одном и другом номинале напряжения ничем не отличается. К таким микросхемам флэш-памяти относятся, например, модули семейства Smart Voltage.
Отдельно хочется остановиться на флэш-памяти, ориентированной на 3,3 вольта. Такие модули выпускаются объемом до 4 Кбита. Они позволяют не только улучшить работу приборов, но и оптимизировать энергопотребление. Технологию модулей флэш-памяти на 3,3 вольта разработала фирма Smart Voltage. В этой технологии объединены три параметра - низ-кое энергопотребление, применение только одного номинала напряжения и довольно быстрое программирование. И все это объединено в один "прибор".
Если сравнить модуль флэш-памяти, разработанный для напряжения только на 5 вольт и для напряжений на 3,3 и на 5 вольт, то лучшим окажется модуль с двойным номиналом. Потому флэш-память с двойным напряжением выполняет операции записи и стирания гораздо быстрее. Например, запись блока составляет 10..13 мкс, а запись - 0,5..1 сек.
Еще одним преимуществом модуля с двойным питанием является то, что его можно переключить в режим напряжением 3 вольта. Такой режим в основном используется на микросхемах, установленных в сотовых телефонах и другой портативной технике.
К сожалению, в процессе перепрограммирования модуля флэш-памяти происходит потеря питания во время обновления. Этой проблемой обладают практически все выпускаемые модули. Но производители, выпуская свою продукцию, справляются с ней. При записи информации добавляются дополнительные строки к параметрическим и блочным записям. Обычно этими параметрами являются разделы под названием "Parameter_Status". При этом в параметре указывается два бита, один из которых содержит код, свидетельствующий о начале обновления параметра, другой - о конце обновления. В результате каждую секунду бит конца обновления изменяется. Если произойдет обрыв питания, то при восстановлении его программа получит данные о конце обновления (где был прерван процесс) из раздела Parameter_Status. При получении информации из раздела программа "знает", что при выполнении процесса произошла ошибка и ее нужно исправить.
Особенность работы флэш-памяти
При работе модуля флэш-памяти для выполнения операций записи, стирания и чтения данных необходимо определить время выполнения этих задач. Для этого в алгоритме работы микросхемы предусмотрена динамическая характеристика.
Динамическая характеристика не только должна обеспечить расчет времени на выполнение определенной задачи, но и учесть время задержки при работе как самого прибора, так и программы. Расчет времени на выполнение, например, чтения, зависит от длины записи каждого параметра и от количества этих параметров. Длину записи и количество параметров необходимо рассчитать до того, как будет произведена запись. Из этих расчетов вытекает полное время чтения данных.
Кроме того, для выполнения каждой операции в оперативную память нужно перегрузить код программы, находящийся в микросхеме флэш-памяти.
Так же необходимо рассчитывать полное время записи, зависящее от длины записи и количества параметров записей.
За все это отвечает динамическая характеристика, которая при работе во многом упрощает работу самого модуля флэш-памяти и программы, управляющей всеми операциями.
Новая технология
Все модули флэш-памяти допускают поэтапное (байт за байтом) программирование. Сейчас уже разработан алгоритм программирования на уровне битов, т.е. запись битов или группы битов за один сеанс. Алгоритм подразумевает программирование одиночных битов путем маскирования остальных.
Новая технология не только позволяет сэкономить время работы модуля, но и снижает стоимость флэш-памяти.
Флэш-память фирмы AMD
Пример микросхем (напряжением 12 вольт)
| Микросхема памяти | Организация | Время доступа, нс |
| Am28F256A | 32K x 8 | 70-200 |
| Am28F512A | 64K x 8 | 70-200 |
| Am28F010A | 128K x 8 | 90-200 |
| Am28F020A | 256K x 8 | 90-200 |
Флэш-память с 5-вольтовым программированием
| Микросхема памяти | Организация | Время доступа, нс | Число выводов |
| Am29F010 | 128K x 8 | 45-120 | 32 |
| Am29F100 | 128K x 864K x 16 | 70-150 | 44, 48 |
| Am29F200 | 256K x 8128K x 16 | 70-150 | 44, 48 |
| Am29F040 | 512K x 8 | 55-150 | 32 |
| Am29F400 | 512K x 8256K x 16 | 70-150 | 44, 48 |
| Am29F080 | 1M x 8 | 85-150 | 44, 48 |
| Am29F800 | 1M x 8512K x 16 | 85-150 | 40, 44 |
| Am29F016 | 2M x 8 | 90-150 | 48 |
Флэш-память с 3-вольтовым программированием
Технические характеристики флэш-памяти AMD:
- ток питания: 20-30 mA при чтении и 30-50 mA при программировании/стирании;
- ток потребления в статическом режиме: 25-90 mkA (режим КМОП), 1 mA (режим ТТЛ);
- количество циклов программирования/стирания: 100 тыс.;
- время хранения информации: 10 лет при 150°С, 20 лет при 125°С;
- температурные режимы работы:
- 0..+70°С (обычный режим);
- -40..+85°С (индустриальный режим);
- -55..+128°С (расширенный режим).
Планы Samsung - скоро появится новая флэш-память!
По планам фирмы Samsung Electronics в скором будущем появится гигабитная флэш-память. В исследовательской лаборатории Samsung уже создан прототип чипа для модуля флэш-памяти объемом 1 гигабит. По размерам чип имеет толщину всего лишь 0,15 микрона(!). Если выпускать стандартные платы, то благодаря этому чипу в них будет умещаться огромное количество информации.
Как обещает фирма Samsung, новый чип скоро выйдет в серийное производство. Представители фирмы утверждают, что на него можно будет записать до 500 фотографий разрешением 1280 х 1024. А это действительно очень много! Попробуйте на своем жестком диске создать 500 таких фотографий - убедитесь сами!
На базе таких чипов фирма Samsung Electronics планирует производить модули флэш-памяти, которые будут применяться в основном (в первое время) в цифровых фотоаппаратах и камерах. Возможно, после реализации этих планов производители станут выпускать память и для комплектующих компьютеров. Производители также уверяют, что производство их чипов сразу же изменит технологию производства флэш-памяти во всем мире. Кроме того, производители собираются (опять же на основе этого чипа) разработать модули памяти объемом 256 и 512 Мб (!). Исследования разработки уже проводятся. Новинку - флэш-память размером 1 гигабит - планируется выпустить уже в 2001 году.
Вывод
Флэш-память разработана и применяется для того, чтобы упростить работу системы, в которой она применяется, а также повысить ее производительность. За счет обновления информации через флэш-память система (например, модем, звуковая карта и т.д.) в гораздо меньшей степени использует оперативную память компьютера. Тем самым повышается производительность не только одного прибора, но и всего компьютера в целом.
Для работы флэш-памяти в основном применяются программные методы эмуляции побайтовой работы, и при этом используется только два блока памяти.
Использование микросхем флэш-памяти также позволяет снизить стоимость оборудования. Флэш-память, используя блочную архитектуру, полностью заменила собой микро-схемы, стираемые целиком.
|
Принципиально микросхемы памяти делятся на энергонезависимые, не теряющие информацию при выключении питания, и энергозависимые, содержимое которых при каждом включении считается неопределенным. Первые из них предназначены для хранения программ, констант, таблиц и других, не меняющихся или редко меняющихся данных, и называются ПЗУ (постоянные запоминающие устройства). Вторые предназначены для временного хранения данных, возникающих в процессе функционирования устройства, и называются ОЗУ (оперативные запоминающие устройства). В свою очередь, ПЗУ классифицируются по способу занесения информации и по способу ее стирания, если только такая возможность существует в данном классе ПЗУ. Самым дешевым способом записи является масочное программирование в процессе изготовления кристалла. Микросхемы ЗУ с <прошитой> информации - ROM (Read Only Memory) - невозможно перепрограммировать, и применяются они только при массовом производстве, большой серийности и гарантированной безошибочности заносимого текста. Следующая разновидность ПЗУ - PROM (Programmable Read Only Memory) - поставляется в <чистом> виде и предоставляет пользователю возможность самостоятельно, с помощью программатора, занести требуемое содержимое. Если этот процесс необратим, то такие микросхемы называются OTP (One Time Programmable) - однократно программируемые. Если существует возможность очистки содержимого с последующим занесением нового, то микросхемы называются EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory). И, наконец, в зависимости от способа стирания они могут быть либо UV-EPROM, с ультрафиолетовым стиранием, либо EEPROM, с электрическим стиранием. Однако, сложившаяся за последние годы терминология чаще использует аббревиатуру EEPROM за определенной разновидностью памяти, которая, в каком-то смысле, может считаться энергонезависимым ОЗУ.
Собственно ПЗУ с электрическим стиранием принято называть Flash памятью. Отличия между ними достаточно велики. EEPROM допускает при записи произвольный доступ к ячейкам памяти, Flash память предполагает только страничный, то есть с разбивкой на сектора, доступ при стирании/записи. Переписать содержимое единственной ячейки памяти невозможно. При чтении принципиальной разницы между ними нет. Кроме того, программирование Flash памяти - это целый процесс, который требует дополнительных программных шагов для перевода микросхемы в режим программирования и контроля его окончания. В итоге, область применения Flash памяти - тексты программ, таблицы и другие данные, изменение которых или не предполагается вовсе, или допускается, но весьма редко. EEPROM память используется для текущего запоминания данных в процессе работы, при смене констант, настроек (например в телевизоре), с автоматическим их сохранением при выключении питания. В то же время Flash память обладает большей емкостью и меньшей ценой при пересчете на стоимость хранения одного байта информации.
Оперативная память (RAM - Random Access Memory) принципиально делится на два типа: статическая - SRAM и динамическая - DRAM. Первая, при наличии питающего напряжения, может сохранять записанную информацию как угодно долго без всяких обращений к ней. Запоминающей ячейкой является триггер. Вторая требует постоянной <регенерации>, то есть считывания и повторной записи в соответствующие ячейки. Это связано с физической основой хранения, которой в DRAM является конденсатор ничтожно малой емкости, включенный на пересечении строк и столбцов матрицы. Этим достигается сверхвысокая плотность упаковки и большая удельная информационная емкость микросхемы. Платой является необходимость периодически осуществлять цикл регенерации. Также приходится жертвовать энергопотреблением. Микросхемы DRAM применяются сегодня практически только в компьютерах и другой вычислительной технике.
Для нас больший интерес представляют микросхемы SRAM, которые, в свою очередь подразделяются на микромощные со сравнительно небольшим (55 - 120 нс) быстродействием и высокоскоростные (7 - 25 нс) со значительно большим энергопотреблением.
Существуют и другие разновидности ОЗУ, например «Zero-Power» со встроенной литиевой батареей или «Dual-Port» с отличной от обычных системой доступа к информации.
Основные параметры микросхем памяти:
|
|
В заключение, необходимо отметить, что микросхемы EEPROM и Flash типов часто имеют последовательный внешний интерфейс обмена данными. Это значительно уменьшает скорость обмена, но, в тех применениях, где она не критична, позволяет экономить число внешних выводов микросхем, занимаемую на печатной плате площадь, число паек.
Всем доброго дня!
Сегодняшняя статья положит начало новому, небольшому циклу статей, посвященному хранению информации, различным типам памяти, способам записывания/считывания информации и всему, что с этим связано 😉 И начнем мы с устройства хорошо нам всем знакомой Flash-памяти.
Что из себя вообще представляет Flash-память? Да просто обычная микросхема, ничем внешне не отличающаяся от любой другой. Поэтому может возникнуть резонный вопрос – а что там внутри и как вообще происходят процессы сохранения/считывания информации.
Итак, сердцем многих устройств памяти является полевой транзистор с плавающим затвором. Гениальнейшее изобретение 70-х годов 20-го века. Его отличие от обычных полевых транзисторов заключается в том, что между затвором и каналом, прямо в диэлектрике, расположен еще один проводник – который и называют плавающим затвором. Вот как все это выглядит:
На рисунке мы видим привычные нам сток-исток-затвор, а также расположенный в диэлектрике дополнительный проводник. Давайте разберемся как же это устройство работает.
Создадим между стоком и истоком разность потенциалов и подадим положительный потенциал на затвор. Что тогда произойдет? Правильно, через полевой транзистор, от стока к истоку потечет ток. Причем величина тока достаточно велика для того, чтобы “пробить” диэлектрик. В результате этого пробоя часть электронов попадет на плавающий затвор. Отрицательно заряженный плавающий затвор создает электрическое поле, которое начинает препятствовать протеканию тока в канале, в результате чего транзистор закрывается. И если отключить питание транзистора, электроны с плавающего затвора никуда не денутся и его заряд останется неизменным на долгие годы.
Но, конечно же, есть способ разрядить плавающий затвор. Для этого надо всего лишь подать на “основной” затвор напряжение противоположного знака, которое и “сгонит” все электроны, в результате чего плавающий затвор останется не заряженным.
Собственно так и происходит хранение информации – если на затворе есть отрицательный заряд, то такое состояние считается логической единицей, а если заряда нет – то это логический ноль.
С сохранением информации разобрались, осталось понять как нам считать информацию из транзистора с плавающим затвором. А все очень просто. При наличии заряда на плавающем затворе его электрическое поле препятствует протеканию тока стока. Допустим при отсутствии заряда мы могли подавать на “основной” затвор напряжение +5В, и при этом в цепи стока начинал протекать ток. При заряженном плавающем затворе такое напряжение не сможет заставить ток течь, поскольку электрическое поле плавающего затвора будет ему мешать. В этом случае ток потечет только при напряжении +10В (к примеру =)). Таким образом, мы получаем два пороговых значения напряжения. И, подав, к примеру +7.5В мы сможем по наличию или отсутствию тока стока сделать вывод о наличии или отсутствии заряда на плавающем затворе. Вот таким образом и происходит считывание сохраненной информации.
Как все это связано с Flash-памятью? А очень просто – полевой транзистор с плавающим затвором является минимальной ячейкой памяти, способной сохранить один бит информации. И любая микросхема памяти состоит из огромного количества расположенных определенным образом транзисторов. И вот теперь пришло время рассмотреть основные типы Flash-памяти. А именно я бы хотел обсудить NOR и NAND память.
Оба этих типа памяти построены на основе транзисторов с плавающим затвором, которым мы сегодня уделили немало времени) А принципиальное отличие состоит в том, каким образом соединены эти транзисторы.
Конструкция NOR использует двумерную таблицу проводников. Проводники называют линией битов и линией слов. Все стоки транзисторов подключаются к линии битов, а все затворы к линии слов. Рассмотрим пример для лучшего понимания.
Пусть нам надо считать информацию из какой-то конкретной ячейки. Эта ячейка, а точнее этот конкретный транзистор, подключен затвором на одну из линий слов, а стоком на одну из линий битов. Тогда мы просто подаем пороговое напряжение на линию слов, соответствующую затвору нашего транзистора и считываем его состояние как в том примере, что мы рассмотрели чуть выше для одной ячейки.
С NAND все несколько сложнее. Если возвращаться к аналогии с массивом, то ячейки NAND-памяти представляют собой трехмерный массив. То есть к каждой линии битов подключен не один, а сразу несколько транзисторов, что в итоге приводит к уменьшению количества проводников и увеличению компактности. Это как раз и является одним из главных преимуществ NAND-памяти. Но как же нам считать состояние определенного транзистора при такой структуре? Для понимания процесса рассмотрим схему:
Как видно из схемы, одна линия битов соответствует нескольким ячейкам. И важной особенностью является следующее: если хотя бы один из транзисторов закрыт, то на линии битов будет высокое напряжение. Вот смотрите:
Действительно, низкий уровень на линии битов будет только тогда, когда вся цепочка транзисторов окажется открытой (вспоминаем курс, посвященный полевым транзисторам 😉).
С этим вроде бы понятно, возвращаемся к нашему вопросу – как же считать состояние конкретного транзистора? А для этого недостаточно просто подать на линию слов (на затвор транзистора) пороговое напряжение и следить за сигналом на линии битов. Необходимо еще чтобы все остальные транзисторы были в открытом состоянии. А делается это так – на затвор нашего транзистора, состояние которого нам нужно считать, подается пороговое напряжение (как и в случае с NOR-памятью), а на затворы всех остальных транзисторов в этой цепочке подается повышенное напряжение, такое чтобы независимо от состояния плавающего затвора транзистор открылся. И тогда считав сигнал с линии битов мы узнаем в каком состоянии интересующий нас транзистор (ведь все остальные абсолютно точно открыты). Вот и все)
Такая вот получилась статейка сегодня) Разобрались мы с принципом работы и основными типами Flash, а также с устройством и принципом работы NAND и NOR-памяти. Надеюсь, что статья окажется полезной и понятной, до скорых встреч!
