Фізичні основи роботи комп’ютера (стр. 7 из 21)
Багато виробників обчислювальної техніки бачать пам'ять майбутнього виключно твердотільною. Внаслідок цього відбувається практично одночасна поява на ринку комплектуючих декількох стандартів флеш-пам’яті.
2.3.1 Що таке flash-пам'ять?
Флеш-пам’ять – особливий вид енергонезалежної перезаписуваної напівпровідникової пам'яті.
Енергонезалежна – що не вимагає додаткової енергії для зберігання даних (енергія потрібна тільки для запису).
Перезаписувана – що допускає зміну (перезапис) даних, що зберігаються в ній.
Напівпровідникова (твердотільна) – що не містить механічно рухомих частин (як звичайні жорсткі диски або CD), побудована на основі інтегральних мікросхем (IC—Chip).
На відміну від багатьох інших типів напівпровідникової пам'яті, елемент флеш-пам’яті не містить конденсаторів – типовий елемент флеш-пам’яті складається всього лише з одного транзистора особливої архітектури. Елемент флеш-пам’яті чудово масштабується, що досягається не тільки завдяки успіхам в мініатюризації розмірів транзисторів, але і завдяки конструктивним знахідкам, що дозволяють в одному елементі флеш-пам’яті зберігати декілька біт інформації. Флеш-пам’ять історично походить від ROM (Read Only Memory) пам'яті, і функціонує подібно до RAM (Random Access Memory). Дані флеш зберігає в елементах пам'яті, схожих на елементи в DRAM. На відміну від DRAM, при відключенні живлення дані з флеш-пам’яті не зникають. Заміни пам'яті SRAM і DRAM флеш-пам'яттю не відбувається через дві особливості флеш-пам’яті: флеш працює досить повільно і має обмеження за кількістю циклів перезапису (від 10.000 до 1.000.000 для різних типів). Інформація, записана на флеш-пам’ять, може зберігатися дуже тривалий час (від 20 до 100 років), і здатна витримувати значні механічні навантаження (які у 5-10 разів перевищують гранично допустимі для звичайних жорстких дисків). Основна перевага флеш-пам’яті над жорсткими дисками і носіями CD-ROM полягає в тому, що флеш-пам’ять споживає значно (приблизно у 10-20 і більше разів) менше енергії під час роботи. У пристроях CD-ROM, жорстких дисках, касетах і інших механічних носіях інформації, велика частина енергії йде на приведення в рух механіки цих пристроїв. Крім того, флеш-пам’ять є більш компактною за більшість інших механічних носіїв. Флеш-пам’ять історично з’явилася від напівпровідникового ROM, проте ROM-пам'яттю не є, а всього лише має схожу на ROM організацію. Безліч джерел (як вітчизняних, так і зарубіжних) часто помилково відносять флеш-пам’ять до ROM. Флеш ніяк не може бути ROM хоч би тому, що ROM (Read Only Memory) переводиться як "пам'ять тільки для читання". Ні про яку можливість перезапису в ROM мови бути не може! Невелика, з початку, неточність не звертала на себе уваги, проте з розвитком технологій, коли флеш-пам’ять стала витримувати до 1 мільйона циклів перезапису, і стала використовуватися як накопичувач загального призначення, цей недолік в класифікації почав впадати в очі. Серед напівпровідникової пам'яті тільки два типи відносяться до "чистого" ROM – це Mask-ROM і PROM. На відміну від них, EPROM, EEPROM і Flash відносяться до класу енергонезалежної перезаписуваної пам'яті (англійський еквівалент – nonvolatile read-write memory, або NVRWM).
2.3.2 ROM
ROM (Read Only Memory) – пам'ять тільки для читання. Український еквівалент – ПЗП (Постійно Запам'ятовуючий Пристрій). Якщо бути зовсім точним, даний вид пам'яті називається Mask-ROM (Масочні ПЗП). Пам'ять побудована у вигляді масиву елементів (матриці), що адресуються, кожен елемент якого може кодувати одиницю інформації. Дані на ROM записувалися під час виробництва шляхом нанесення за маскою (звідси і назва) алюмінієвих з’єднувальних доріжок літографічним способом. Наявність або відсутність у відповідному місці такої доріжки кодувала "0" або "1". Mask-ROM відрізняється складністю модифікації вмісту (тільки шляхом виготовлення нових мікросхем), а також тривалістю виробничого циклу (4-8 тижнів). А також у зв'язку з тим, що сучасне програмне забезпечення часто має багато недоробок і часто вимагає оновлення, даний тип пам'яті не набув широкого поширення.
Переваги:
- Низька вартість готової запрограмованої мікросхеми (при великих об'ємах виробництва).
- Висока швидкість доступу до елемента пам'яті.
- Висока надійність готової мікросхеми і стійкість до електромагнітних полів.
Недоліки:
- Неможливість записувати і модифікувати дані після виготовлення.
- Складний виробничий цикл.
PROM – Programmable ROM, або одноразово Програмовані ПЗП. Як елементи пам'яті в даному типі пам'яті використовувалися плавкі перемички. На відміну від Mask-ROM, в PROM з'явилася можливість кодувати ("перепалювати") елементи за наявності спеціального пристрою для запису (програматора). Програмування елемента в PROM здійснюється руйнуванням ("пропаленням") плавкої перемички шляхом подачі струму високої напруги.
Можливість самостійного запису інформації в них зробило їх придатними для штучного і дрібносерійного виробництва. PROM практично повністю вийшов з використання наприкінці 80-х років (рис. 2.7).
Рисунок 2.7 –Programmable ROM
Переваги:
- Висока надійність готової мікросхеми і стійкість до електромагнітних полів.
- Можливість програмувати готову мікросхему, що зручно для штучного і дрібносерійного виробництва.
- Висока швидкість доступу до елемента пам'яті.
Недоліки:
- Неможливість перезапису.
- Великий відсоток браку.
- Необхідність спеціального тривалого термічного тренування, без якого надійність зберігання даних була б невисокою.
2.3.3 NVRWM: EPROM
Різні джерела по-різному розшифровують абревіатуру EPROM – як Erasable Programmable ROM або як Electrically Programmable ROM (програмовані ПЗП, що можна стирати, або електрично програмовані ПЗП). Перед записом EPROM необхідно провести стирання (відповідно з'явилася можливість перезаписувати вміст пам'яті). Стирання елементів EPROM виконується відразу для всієї мікросхеми за допомогою опромінювання чіпа ультрафіолетовими або рентгенівськими променями протягом декількох хвилин. Мікросхеми, стирання яких проводиться шляхом засвічування ультрафіолетом, були розроблені Intel в 1971 році, і носять назву UV-EPROM (приставка UV (Ultraviolet) – ультрафіолет). Вони містять віконця з кварцового скла, які після закінчення процесу стирання заклеюють.
Переваги:
- Можливість перезаписувати вміст мікросхеми.
Недоліки:
- Невелика кількість циклів перезапису.
- Неможливість модифікації частини даних, що зберігаються.
- Висока вірогідність "не дотерти" (що зрештою приведе до збоїв) або перетримати мікросхему під УФ-світлом (т.з. overerase – ефект надмірного видалення, "перепалювання"), що може зменшити термін служби мікросхеми і навіть привести до її повної непридатності.
EEPROM (EEPROM або Electronically EPROM) – ППЗУ, які можна електрично витирати, були розроблені в 1979 році в тому ж Intel. У 1983 році вийшов перший 16Кбітний зразок, виготовлений на основі FLOTOX-транзисторів (Floating Gate Tunnel-OXide – "плаваючий" затвор з тунелюванням в оксиді).
Головною відмінною особливістю EEPROM та Flash від раніше розглянутих нами типів енергонезалежної пам'яті є можливість перепрограмування при підключенні до стандартної системної шини мікропроцесорного пристрою. У EEPROM з'явилася можливість проводити стирання окремого елемента за допомогою електричного струму. Для EEPROM стирання кожного елемента виконується автоматично при записі до нього нової інформації, тобто можна змінити дані в будь-якому елементі, не зачіпаючи інші. Процедура стирання звичайно є істотно довшою процедурою, ніж запис.
Переваги EEPROM в порівнянні з EPROM:
- Збільшений ресурс роботи.
- Простіше у використанні.
Недолік:
- Висока вартість Flash (повна історична назва Flash Erase EEPROM).
Винахід флеш-пам’яті часто несправедливо приписують Intel, називаючи при цьому 1988 рік. Насправді пам'ять вперше була розроблена компанією Toshiba в 1984 році, і вже наступного року було почате виробництво 256Кбіт мікросхем flash-пам'яті в промислових масштабах. У 1988 році Intel розробила власний варіант флеш-пам’яті.
У флеш-пам’яті використовується дещо відмінний від EEPROM тип елемента-транзистора. Технологічно флеш-пам’ять схожа як з EPROM так і з EEPROM. Основна відмінність флеш-пам’яті від EEPROM полягає в тому, що стирання вмісту елементів виконується або для всієї мікросхеми, або для певного блоку (кластера, кадру або сторінки). Звичайний розмір такого блоку складає 256 або 512 байт, проте в деяких видах флеш-пам’яті об'єм блоку може досягати 256КБ. Слід відмітити, що існують мікросхеми, що дозволяють працювати з блоками різних розмірів (для оптимізації швидкодії). Стирати можна як блок, так і вміст всієї мікросхеми відразу. Таким чином для того, щоб змінити один байт, спочатку в буфер зчитується увесь блок, де знаходиться байт, який підлягає зміні, стирається вміст блоку, змінюється значення байта в буфері, після чого проводиться запис зміненого в буфері блоку. Така схема істотно знижує швидкість запису невеликих об'ємів даних в довільні ділянки пам'яті, проте значно збільшує швидкодію при послідовному записі даних великими порціями.