2.9.3. Энергонезависимая память

Энергонезависимая память хранит записанные данные и при отсутствии питающего напряжения в отличие от статической и динамической полупроводниковой памяти. Существует множество типов энергонезависимой памяти: ROM, PROM, EPROM, EEPROM, Flash Memory, различающихся по потребительским свойствам, способам построения запоминающих ячеек и сферам применения. Запись информации в энергонезависимую память, называемую программированием, обычно существенно сложнее и требует больших затрат времени и энергии, чем считывание. Основным режимом работы такой памяти является считывание данных, а некоторые типы после программирования допускают только считывание, что и обусловливает их общее название ROM (Read Only Memory - память только для чтения) или ПЗУ (постоянное запоминающее устройство).

Существует и полупостоянная память, которая в основном используется для хранения информации о конфигурации компьютера. Традиционная память конфигурации вместе с часами - календарем (CMOS Memory и CMOS RTC) - имеет объем несколько десятков байт; ESCD (Extended Static Configuration Data) - область энергонезависимой памяти, используемая для конфигурирования устройств Plug & Play, имеет объем несколько килобайт. Сохранность данных полупостоянной памяти при отключении питания компьютера обеспечивается маломощной внутренней батарейкой или аккумулятором. В качестве полупостоянной применяется и энергонезависимая память - NV RAM (Non-Volatile RAM), которая хранит информацию и при отсутствии питания.

Запоминающие ячейки энергонезависимой памяти обычно несимметричны по своей природе и позволяют записывать только нули (реже - только единицы) в предварительно стертые (чистые) ячейки. Однократно программируемые микросхемы позволяют изменять только исходное (после изготовления) состояние ячеек. Стирание ячеек выполняется либо для всей микросхемы, либо для определенного блока, либо для одной ячейки (байта). Стирание приводит все биты стираемой области в одно состояние (обычно - во все единицы, реже - во все нули). Процедура стирания обычно существенно дольше записи. В зависимости от способа стирания различают:

микросхемы, стираемые ультрафиолетовым облучением, их обычно называют просто EPROM (Erasable PROM - стираемые микросхемы), или UV-EPROM (Ultra-Violet EPROM, УФРПЗУ);

электрически стираемые микросхемы EEPROM (Electrical Erasable PROM, ЭСПЗУ), в том числе и флэш-память.

Энергонезависимая память в основном применяется для хранения неизменяемой (или редко изменяемой) информации - системного программного обеспечения (BIOS), таблиц (например, знакогенераторов графических адаптеров), памяти конфигурации устройств (ESCD, EEPROM адаптеров). Эта информация обычно является ключевой для функционирования PC (без BIOS компьютер представляет собой только коробку с дорогими комплектующими).

Важными параметрами энергонезависимой памяти является время хранения и устойчивость к электромагнитным воздействиям, а для перепрограммируемой памяти еще и гарантированное количество циклов перепрограммирования. Энергонезависимую память, запись в которую производят при регулярной работе, называют NVRAM (Non Volatile Random Access Memory).

Постоянная память - ROM, FROM, EPROM

Масочные постоянные запоминающие устройства - ПЗУ (ROM) - имеют самое высокое быстродействие (время доступа 5-70 нс). Эти микросхемы в МПС широкого распространения не получили из-за сложности модификации содержимого.

Однократно программируемые постоянные запоминающие устройства - ППЗУ (PROM) - имеют аналогичные параметры и благодаря возможности программирования изготовителем оборудования (а не микросхем) находят более широкое применение для хранения кодов BIOS. Программирование этих микросхем осуществляется только с помощью специальных программаторов, в целевые устройства которых они устанавливаются в «кроватки» или запаиваются. Как и масочные, эти микросхемы практически нечувствительны к электромагнитным полям (в том числе и к рентгеновскому облучению), и несанкционированное изменение их содержимого в устройстве исключено (конечно, не считая отказа).

Репрограммируемые постоянные запоминающие устройства - РПЗУ (EPROM) - до недавних пор были самыми распространенными носителями BIOS как на системных платах, так и в адаптерах, а также использовались в качестве знакогенераторов.

Микросхемы EPROM тоже программируются на программаторах, но относительно простой интерфейс записи позволяет их программировать и в устройстве (но не в штатном его режиме работы, а при подключении внешнего программатора). Стирание микросхем осуществляется ультрафиолетовым облучением в течение нескольких минут. Специально для стирания микросхемы имеют стеклянные окошки. После программирования эти окошки заклеивают для предотвращения стирания под действием солнечного или люминесцентного облучения. Время стирания зависит от расстояния до источника облучения, его мощности и объема микросхемы (более емкие микросхемы стираются быстрее).

В PC чаще всего применяют микросхемы EPROM.

Отметим основные свойства EPROM:

• Стирание информации происходит сразу для всей микросхемы под воздействием облучения и занимает несколько минут. Стертые ячейки имеют единичные значения всех бит.

• Запись может производиться в любую часть микросхемы побайтно, в пределах байта можно маскировать запись отдельных бит, устанавливая им единичные значения данных.

• Защита от записи осуществляется подачей низкого (5 В) напряжения на вход Vpp в рабочем режиме (только чтение).

• Защита от стирания производится заклейкой окна.

Память с электрическим стиранием - EEPROM и флэш-память

Стирание микросхем постоянной памяти возможно и электрическим способом. Однако этот процесс требует значительного расхода энергии. Интерфейс традиционных микросхем EEPROM имеет временную диаграмму режима записи с большой длительностью импульса, что не позволяет непосредственно использовать сигнал записи системной шины. Кроме того, перед записью информации в ячейку обычно требуется предварительное стирание, тоже достаточно длительное. Микросхемы EEPROM относительно небольшого объема широко применяются в качестве энергонезависимой памяти конфигурирования различных адаптеров. Современные микросхемы EE- PROM имеют более сложную внутреннюю структуру, в которую входит управляющий автомат. Это позволяет упростить внешний интерфейс, делая возможным непосредственное подключение к микропроцессорной шине, и скрыть специфические (и ненужные пользователю) вспомогательные операции типа стирания и верификации.

Флэш-память, по определению, относится к классу EEPROM, но использует особую технологию построения запоминающих ячеек. Стирание во флэш-памяти производится сразу для целой области ячеек: блоками или полностью всей микросхемы. Это позволило существенно повысить производительность в режиме записи (программирования). Флэш-память обладает сочетанием высокой плотности упаковки (ее ячейки на 30 % меньше ячеек DRAM), энергонезависимого хранения, электрического стирания и записи, низкого потребления, высокой надежности и невысокой стоимости (рис. 2.15).

Расположение выводов распространенных микросхем флэш-памяти приведено на рис. 2.16, а, б.

а б

Рис. 2.16. Расположение выводов микросхем флэш-памяти с 8-битной организацией в корпусах DIP и PLCC: а - DIP-32, б - PLCC-32

Рис. 2.15. Флэш-память - основные показатели

Интерфейс микросхем флэш-памяти хорошо сочетается со стандартными сигналами, используемыми в микропроцессорных системах. Внутренние циклы стирания, записи и верификации выполняются автономно от шинных циклов внешнего интерфейса, что является существенным преимуществом перед микросхемами EPROM и EEPROM. В режиме чтения они полностью совместимы с EPROM, совпадая с ними и по расположению основных выводов.