ЛЕКЦИЯ 4н. ФОРМ ФАКТОРЫ ФЛЭШ-ПАМЯТИ
В предыдущих лекциях мы рассмотрели типы, способы организации и принципы работы и соединения ячеек флэш-памяти. Естественно на практике должны использоваться реальные изделия. Рассмотрим конкретные форм факторы флэш-памяти.
Устройство и режимы работы реальной микросхемы.
В настоящее время, в основном, микросхемы выпускают в 8- и 16-разрядных вариантах. Страничный регистр имеет размер, кратный размеру кластера на жёстком диске (512 байт) 512, 1К, 2К. Это объясняется, с одной стороны технологическим фактором, а с другой необходимостью обеспечить удобство пользователей при переходе с механических устройств внешней памяти на электронные устройства. Для этого сохраняется преемственность протоколов обмена, интерфейсов и логической организации областей памяти.
Развитие технологии изготовления кристаллов позволило перейти на процессы, реализующие более компактные ячейки (с техпроцесса 0,38 мкм на 0,12 мкм).
Стоимость единицы хранения у современных микросхем памяти стала во много раз ниже, чем у их предшественников, а объёмы хранения достигают десятков гигабит при 8- или 16-разрядной архитектуре.
Отметим, что устройство всех современных микросхем практически одинаково. Все различия заключаются в разном разбиении адресного пространства на столбцы и строки, размерах страницы, блока, буферных регистров.
В современных микросхемах энергонезависимой памяти на одном кристалле вместе с массивом ячеек располагается множество вспомогательных узлов.
Это контроллер, управляющий процессом ввода-вывода, или выдающий сигнатурные коды (для автоматической идентификации типа устройства и его производителя).
Мультиплексоры (команд–адреса–данных), позволяющие упаковать кристалл с увеличенным количеством запоминающих ячеек в корпус с тем же числом выводов, при этом совместив функции отдельных ножек (что особенно ценно при модернизации устройств, например: наращивания объёма памяти без переделки платы).
Генератор программирующего напряжения, не требующий внешних компонентов.
Внутренний кэш, позволяющий ускорить обмен данными с внешними устройствами, или с помощью которого, при поддержке внутренней системы команд, возможна перезапись информации внутри кристалла (поблочный или постраничный перенос из одного массива ячеек в другой без использования внешних устройств).
Для определенности, рассмотрим микросхему фирмы SAMSUNG, с ячейками памяти NAND типа – K9K2G08XOM (X8). Диапазон питающего напряжения - 1,65 ~ 1,95 В.
Buffers Latches & Decoders – буферы с «заслонками» и дешифраторы адресов строк и столбцов массива памяти.
Flash ARRAY – массив ячеек памяти.
Data Register & S/A – регистр данных и селектор адреса.
Cache Register – «кэш – регистр» позволяющий распараллелить выбор и работу с ячейками.
Y – Gating – шлюз «пропускающий» входные данные в массив памяти и «выпускающий» их оттуда.
I/o Buffers & Latches – входные / выходные буферы и «заслонки».
Command Register – регистр команд.
Control Logic & High Voltage Generator – управляющий контроллер и встроенный высоковольтный генератор для программирования.
Global Buffers – «глобальные» буферы - регистры общего назначения, содержимое которых (адреса, данные) определяется контроллером.
Output Driver – порты для связи с внешним миром.
Рассмотрим организацию массива памяти.
Микросхема имеет ёмкость памяти 2 G бит с резервом 64 Мбит (фактическая ёмкость составляет: 2112 Мбит (2 214 592 512 бит)). В микросхеме есть резервные биты, располагающиеся в 64 строках. Организация массива памяти показана на Рис. 2.
Рис. 2. Организация массива памяти микросхемы K9K2G08XOM(X8).
Для организации передачи данных в течение операции чтения/записи страницы, между ячейками памяти и портами ввода-вывода, у этих микросхем имеются последовательно связанные друг с другом регистры данных и регистры кэш.
Операция чтения выполняются постранично, в то время как операция стирания выполняется только поблочное. Стирание отдельных битов невозможно.
Операция записи выполняется за 300 мкс на страницу. Операция стирания выполняется за 2 мс на блок. Байт данных считывается со страницы за 50 нс.
Для осуществления сложного процесса записи и контроля данных, на кристалле имеется встроенный контроллер. Встроенный контроллер записи автоматизирует всю программу ввода и функции стирания, включая повторение импульса (где требуется), операции внутренней проверки и разметки данных.
У микросхемы реализована система обеспечения проверки информации с исправлением ошибок и выбраковкой ошибочных данных в реальном времени.
Микросхема имеет 8 мультиплексных адресных вводов - выводов. Ввод команд, адреса и данных производятся при низком уровне на выводе CE ( Chip Enable - разрешение
кристалла), по спаду сигнала WE (Write Enable - разрешение записи), через одни и те же ножки ввода/вывода.
Вводимая информация защёлкивается в регистрах по фронту сигнала WE.
Сигналы разрешения защёлкивания команды (CLE – Command Latch Enable), и разрешения защёлкивания адреса (ALE – Address Latch Enable), используются, чтобы мультиплексировать команду и адрес соответственно, через одни и те же ножки ввода/вывода.
При большом объёме заносимой информации, программа кэширования, значительно ускоряет процесс записи. При включении питания, встроенный контроллер автоматически обеспечивает доступ, к массиву памяти начиная с 1-ой страницы без ввода команды и адреса.
Контроллер обладает возможностью копирования (перезаписи) содержимого одной страницы памяти на другую без обращения к внешней буферной памяти. В этом случае обеспечивается более высокая скорость переноса данных, чем при обычной работе, так как отнимающий много времени последовательный доступ и циклы ввода данных отсутствуют.
Выбраковка блоков
Это функции контроля бэд - секторов, коррекции ошибок (ECC — error check and correct) и равномерности износа ячеек. Следует отметить, что уже с конвейера сходят чипы, имеющие в среднем до 2% нерабочих ячеек — это обычная технологическая норма. Но со временем их количество может увеличиваться за счет термического износа. Поэтому во флэш-памяти предусмотрен резервный объем.
Если появляется плохой сектор, функция контроля подменяет его адрес в таблице размещения файлов адресом сектора из резервной области (Рис. 3 ).
|
|
Рис. 3. Алгоритм выявления дефектных секторов.
Выявление дефектных секторов реализует алгоритм ECC («Error Check Correct – контроль и коррекция ошибок») – он сравнивает записываемую информацию с реально записанной информацией. Если есть совпадение, данные остаются в ячейке. В противном случае, данные переписываются в ячейку резервной области, а физические адреса преобразуются в логические адреса.
Со временем, из-за износа ячеек, появляются ошибочные биты. Но, поскольку из-за особенностей архитектуры, стирание возможно только поблочное, то бракуется весь блок. Блоки определяются как недопустимые, когда они содержат биты, однозначность чтения которых не гарантируется.
Микросхемы с недопустимыми блоками не отличаются по статическим и динамическим характеристикам от микросхем со всеми правильными блоками. Недопустимые блоки не влияют на работу нормальных блоков из за изоляции от разрядной и общей шины питания транзистором выбора.
Система спроектирована таким образом, что у недопустимых блоков блокируются адреса. Соответственно, к некорректным битам попросту нет доступа.