3-й семестр / Организация ЭВМиС; Орлов С.А., Цилькер Б.Я

всех ячеек должно быть приведено к одинаковому состоянию (стерто) путем воздействия на микросхему ультрафиолетовым облучением1. Кристалл заключен в керамический корпус, имеющий небольшое кварцевое окно, через которое и производится облучение. Чтобы предотвратить случайное стирание информации, после облучения кварцевое окно заклеивают непрозрачной пленкой. Процесс стирания может выполняться многократно. Каждое стирание занимает порядка 20 мин. Данные хранятся в виде зарядов плавающих затворов МОП-транзисторов, играющих роль конденсаторов с очень малой утечкой заряда. Заряженный ЗЭ соответствует логическому нулю, а разряженный — логической единице. Цикл программирования занимает нескольких сотен миллисекунд. Время считывания близко к показателям ROM и DRAM.

По сравнению с PROM микросхемы EPROM дороже, но возможность многократного перепрограммирования часто является определяющей. Данный вид ИМС выпускался в рамках серии К573 (зарубежный аналог — серия 27xxx).

Микросхемы EEPROM. Более привлекательным вариантом многократно программируемой памяти является электрически стираемая программируемая постоянная память EEPROM. Стирание и запись информации в эту память производятся по байтам, причем стирание — не отдельный процесс, а лишь этап, происходящий автоматически при записи. Операция записи занимает существенно больше времени, чем считывание — несколько сотен микросекунд на байт. В микросхеме используется тот же принцип хранения информации, что и в EPROM. Программирование EPROM не требует специального программатора и реализуется средствами самой микросхемы.

Выпускаются два варианта микросхем: с последовательным и параллельным доступом, причем на долю первых приходится 90% всех выпускаемых ИМС этого типа. В EEPROM с доступом по последовательному каналу (SEEPROM — Serial EEPROM) адреса, данные и управляющие команды передаются по одному проводу и синхронизируются импульсами на тактовом входе. Преимуществом SEEPROM являются малые габариты и минимальное число линий ввода/вывода, а недостатком — большое время доступа. SEEPROM выпускаются в рамках серий микросхем 24Cxxx, 25Cxxx и 93Cxxx, а параллельные EEPROM — в серии 28Cxxx.

В целом, EEPROM дороже, чем EPROM, а микросхемы имеют менее плотную упаковку ячеек, то есть меньшую емкость.

Флэш-память. Флэш-память — это энергонезависимая перепрограммируемая полупроводниковая память. Слово flash, которое можно перевести как «быстрый, мгновенный», подчеркивает относительно высокую скорость перепрограммирования. Впервые анонсированная компанией Toshiba в 1984 году, флэш-память во многом похожа на EEPROM, но использует особую технологию построения ЗЭ. Логически ЗЭ представлен элементом ИЛИ-НЕ (NOR), либо И-НЕ (NAND), поэтому можно говорить о флэш-памяти с NOR-ячейками и NAND-ячейками.

1Данный вид микросхем иногда обозначают как UV-EPROM (Ultra-Violet EPROM — EPROM, стираемые ультрафиолетовым облучением).

(запись) байта занимает время порядка 10 мкс, а время доступа при чтении составляет 35–200 нс.

Флэш-память с NOR ячейками позволяет работать с отдельными байтами, аналогично EEPROM. Во флэш-памяти типа NAND ячейки группируются в небольшие блоки, и в качестве наименьшей единицы информации при записи выступает блок. В силу этих различий флэш-память с ячейками NOR выгодно использовать в случае произвольного доступа, например, для хранения BIOS в персональных компьютерах. Память с ячейками NAND более подходит при работе с большими массивами информации, например в твердотельных дисках.

Отметим, что независимо от типа ячеек флэш-память имеет ограничение по количеству циклов перезаписи (в лучшем случае — несколько миллионов), что не позволяет использовать ее как энергонезависимое ОЗУ. Кроме того, флэш-память уступает микросхемам ОЗУ по быстродействию.

Фазовая память PCM. Носителем информации служат микроскопические частицы халькогенидного стекла, которое может находиться в одном из двух состояний1. Эти состояния (фазы) различаются по оптическим и электрическим характеристикам2. Под воздействием тепла материал может переходить из одного состояния в другое. В оптических ЗУ такой нагрев достигается с помощью луча лазера. В случае PCM нагрев достигается пропусканием через материал электрического тока, причем состояние, в которое переходит нагреваемый участок, зависит от величины тока, приложенного напряжения и длительности нагревания. В обычном (холодном) состоянии материал представляет собой аморфную стеклообразную структуру с высоким электрическим сопротивлением. При воздействии высокой температуры (до 600 градусов по Цельсию) материал кристаллизуется и будет обладать очень низким сопротивлением. Высокое сопротивление в аморфной фазе используется для представления двоичного «0», а низкое сопротивление в кристаллической фазе — «1». Потенциально фазовый переход может осуществляться менее чем за 5 нс, хотя в экспериментах пока удалось добиться величины порядка 16 нс. В целом, PCM обеспечивает стирание содержимого ячеек почти в 10 раз быстрее флэш-памяти, а темп перезаписи превышает аналогичный показатель для флэш-памяти в семь раз.

PCM выгодно использовать там, где требуется быстрая запись информации, поскольку технология позволяет изменять значение отдельных битов без предварительного стирания целого блока ячеек. Кроме того, запоминающие элементы PCM обладают высоким быстродействием. Еще одно преимущество PCM перед флэшпамятью — количество циклов перезаписи без деградации микросхемы достигает 100 миллионов.

1В последних версиях удалось добавить еще два четко различимых состояния частичной кристаллизации, что позволило в одном физическом запоминающем элементе хранить два бита, то есть удвоить информационную емкость микросхем.

2Такой же материал используется в оптических дисках с многократной записью, но там используются оптические свойства материала, тогда как в фазовой памяти − электрические.

Энергонезависимые оперативные запоминающие устройства

Под понятие энергонезависимое ОЗУ (NVRAM — Non-Volatile RAM) подпадает несколько типов памяти. От перепрограммируемых постоянных ЗУ их отличает отсутствие этапа стирания, предваряющего запись новой информации, поэтому вместо термина «программирование» для них употребляют стандартный термин «запись».

Микросхемы BBSRAM. К рассматриваемой группе относятся обычные статические ОЗУ со встроенным литиевым аккумулятором и усиленной защитой от искажения информации в момент включения и отключения внешнего питания. Для их обозначения применяют аббревиатуру BBSRAM (Battery-Back SRAM).

Микросхемы NVRAM. Другой подход реализован в микросхеме, разработанной компанией Simtec. Особенность ее в том, что в одном корпусе объединены статическое ОЗУ и перепрограммируемая постоянная память типа EEPROM. При включении питания данные копируются из EEPROM в SRAM, а при выключении — автоматически перезаписываются из SRAM в EEPROM. Благодаря такому приему данный вид памяти можно считать энергонезависимым.

Микросхемы FRAM. FRAM (Ferroelectric RAM — ферроэлектрическая память) разработана компанией Ramtron и представляет собой еще один вариант энергонезависимой памяти. По быстродействию данное ЗУ несколько уступает динамическим ОЗУ и пока рассматривается лишь как альтернатива флэш-памяти. Причисление FRAM к оперативным ЗУ обусловлено отсутствием перед записью явно выраженного цикла стирания информации.

Запоминающий элемент FRAM похож на ЗЭ динамического ОЗУ, то есть состоит из конденсатора и транзистора. Отличие заключено в диэлектрических свойствах материала между обкладками конденсатора. В FRAM этот материал обладает большой диэлектрической постоянной и может быть поляризован с помощью электрического поля. Поляризация сохраняется вплоть до ее изменения противоположно направленным электрическим полем, что и обеспечивает энергонезависимость данного вида памяти. Данные считываются за счет воздействия на конденсатор электрического поля. Величина возникающего при этом тока зависит от того, изменяет ли приложенное поле направление поляризации на противоположное или нет, что может быть зафиксировано усилителями считывания. В процессе считывания содержимое ЗЭ разрушается и должно быть восстановлено путем повторной записи, то есть, как и DRAM, данный тип ЗУ требует регенерации. Количество циклов перезаписи для FRAM обычно составляет 10 млрд.

Главное достоинство данной технологии в значительно более высокой скорости записи по сравнению с EEPROM. В то же время относительная простота ЗЭ позволяет добиться высокой плотности размещения элементов на кристалле, сопоставимой с DRAM. FRAM выпускаются в виде микросхем, полностью совместимых с последовательными и параллельными EEPROM. Примером может служить серия 24Cxx.

В какой-то мере к энергонезависимым ОЗУ можно отнести и фазовую память, поскольку запись новых данных не требует предварительного удаления старых.

Сказанное подтверждает и другая аббревиатура, используемая для обозначения фазовой памяти — PRAM (Phase-change Random Access Memory), что можно перевести как ОЗУ на базе эффекта фазового перехода.

Обнаружение и исправление ошибок

При работе с полупроводниковой памятью не исключено возникновение различного рода отказов и сбоев. Причиной отказов могут быть производственные дефекты, повреждение микросхем или их физический износ. Проявляются отказы в том, что в отдельных разрядах одной или нескольких ячеек постоянно считывается 0 или 1, вне зависимости от реально записанной туда информации. Сбой — это случайное событие, выражающееся в неверном считывании или записи информации в отдельных разрядах одной или нескольких ячеек, не связанное с дефектами микросхемы. Сбои обычно обусловлены проблемами с источником питания или с воздействием альфа-частиц, возникающих в результате распада радиоактивных элементов, которые в небольших количествах присутствуют практически в любых материалах. Как отказы, так и сбои крайне нежелательны, поэтому в большинстве систем основной памяти содержатся схемы, служащие для обнаружения и исправления ошибок.

Вне зависимости от того, как именно реализуется контроль и исправление ошибок, в основе их всегда лежит введение избыточности. Это означает, что контролируемые разряды дополняются контрольными разрядами, благодаря которым и возможно детектирование ошибок, а в ряде методов — их коррекция. Общую схему обнаружения и исправления ошибок иллюстрирует рис. 6.21.

Рис. 6.21. Общая схема обнаружения и исправления ошибок [143]

Перед записью М-разрядных данных в память производится их обработка, обозначенная на схеме функцией «f», в результате которой формируется добавочный К-разрядный код. В память заносятся как данные, так и этот вычисленный код, то есть (М + К)-разрядная информация. При чтении информации повторно формируется К-разрядный код, который сравнивается с аналогичным кодом, считанным из ячейки. Сравнение приводит к одному из трех результатов:

Не обнаружено ни одной ошибки. Извлеченные из ячейки данные подаются на выход памяти.

контролирующий столбец С и строку К. Таким образом, к 64 битам данных нужно добавить 17 битов паритета: по 8 битов на строки и столбцы и один дополнительный бит для контроля строки и столбца битов паритета. Если в одной строке и одном столбце обнаружено нарушение паритета, для исправления ошибки достаточно просто инвертировать бит на пересечении этих строки и столбца. Если ошибка паритета выявлена только в одной строке или только одном столбце либо одновременно в нескольких строках и столбцах, фиксируется многобитовая ошибка и формируется признак невозможности коррекции.

Таблица 6.2. Формирование корректирующего кода для 64-битовых данных

Недостаток рассмотренного приема в том, что он требует большого числа дополнительных разрядов. Более эффективным представляется код, предложенный Ричардом Хэммингом и носящий его имя (код Хэмминга).

Для пояснения концепции, положенной в основу кода Хэмминга, построим код, обнаруживающий и исправляющий однобитовые ошибки в 8-разрядных словах (пример взят из [42]).

Сначала определим требуемую длину корректирующего кода. В соответствии с рис. 6.21, на вход схемы сравнения поступают два К-разрядных значения. Сравнение производится путем поразрядной операции «исключающее ИЛИ» (сложение по модулю 2) над входными кодами. Результатом является так называемое слово синдрома. В зависимости от того, было ли совпадение входных кодов или нет, соответствующий бит синдрома будет равен 0 или 1.

Слово синдрома состоит из К разрядов, то есть его возможные значения лежат в диапазоне от 0 до 2К – 1. Значение 0 соответствует случаю, когда ошибки не обнаружено, остальные 2К – 1 случая свидетельствуют о наличии ошибки и указывают на ее местоположение. Поскольку ошибка может возникнуть в любом из М битов данных или К контрольных битов, мы должны иметь 2К – 1 ≥ М + К. Это выражение позволяет определить число битов, необходимое для исправления одиночной ошибки в М-разрядных данных.

В табл. 6.3 приведено количество корректирующих разрядов, нужное для контроля данных различной разрядности. Из таблицы видно, что для 8-разрядных слов требуется четыре корректирующих разряда.

Проверим корректность такой схемы на примере. Пусть входной код равен 00101011, где разряду D1 соответствует правая цифра. Контрольные разряды вычисляются следующим образом:

P1 = D1 D2 D4 D5 D7 = 1 1 1 0 0 = 1;

P2 = D1 D3 D4 D6 D7 = 1 0 1 1 0 = 1; P4 = D2 D3 D4 D8 = 1 0 1 0 = 0;

P8 = D5 D6 D7 D8 = 0 1 0 0 = 1.

Предположим, что данные в бите 3 содержат ошибку и там вместо 0 находится 1. После пересчета контрольных разрядов имеем

P1' = D1 D2 D4 D5 D7 = 1 1 1 0 0 = 1;

P2' = D1 D3 D4 D6 D7 = 1 1 1 1 0 = 0; P4' = D2 D3 D4 D8 = 1 1 1 0 = 1;

P8' = D5 D6 D7 D8 = 0 1 0 0 = 1.

Путем сложения по модулю два результатов старой и новой проверок получим слово синдрома (S8S4S2S1):

S1 = P1 P1' = 1 1 = 0;

S2 = P2 P2' = 1 1 = 0;

S4 = P4 P4' = 1 1 = 0;

S8 = P8 P8' = 1 1 = 0.

Результат 01102 (610) означает, что в разряде 6, содержащем третий бит данных, присутствует ошибка.

Описанный код называется кодом с исправлением одиночной ошибки (SEC — Single Error Correcting). В большинстве микросхем памяти используется код с исправлением одиночной и обнаружением двойной ошибки (SECDED — Single Error Correcting, Double Error Detecting). Из табл. 6.3 видно, что, по сравнению с SEC, такой код требует введения одного дополнительного контрольного разряда.

Коды с исправлением ошибок применяются в большинстве ВМ. Например, в основной памяти ВМ типа IBM 30xx используется 8-разрядный код SECDED на каждые 64 бита данных, то есть емкость памяти примерно на 12% больше, чем имеет в своем распоряжении пользователь. В ВМ типа VAX на каждые 32 разряда данных добавлен 7-разрядный код SECDED, следовательно, избыточность составляет 22%.

Структура одного из вариантов построения устройства для обнаружения одинарных и двойных ошибок с коррекцией одинарных ошибок приведена на рис. 6.22. Схема предназначена для контроля 16-разрядных данных и размещается между процессором и памятью. Из табл. 6.3 видно, что код SECDED предполагает шесть дополнительных разрядов. Таким образом, из процессора и в процессор поступают 16-разрядные коды (UD15 ... UD0), а в память заносятся 22-разрядные данные (M21 ...

M0). Хранящаяся в ячейках памяти информация состоит из 16 битов информации (MD15 ... MD0) и 6 контрольных битов (MP5 ... MP0). В последующем первые буквы в обозначении разрядов могут быть опущены, при этом D будет означать информационный разряд кода, а P — контрольный разряд.

Система размещения основных и контрольных разрядов была рассмотрена ранее, и для данной схемы она приведена в табл. 6.5.

Таблица 6.5. Распределение информационных и контрольных разрядов в 22-разрядном слове

Контрольные разряды P4 ...P0 вычисляются по стандартной схеме кода Хэмминга:

P0 = D15 D13 D11 D10 D8 D6 D4 D3 D1 D0; P1 = D13 D12 D10 D9 D6 D5 D3 D2 D0;

P2 = D15 D14 D10 D9 D8 D7 D3 D2 D1; P3 = D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4;

P4 = D15 D14 D13 D12 D11.

Особенность рассматриваемой схемы состоит в способе формирования контрольного разряда P5. Он вычисляется путем суммирования по модулю 2 всех остальных 21 разрядов кода (D15 ... D0 и MP4 ... MP0). По мнению авторов рассматриваемой схемы, это облегчает фиксацию факта неисправимой двойной ошибки.

Рис. 6.22. Схема обнаружения одинарных и двойных ошибок с коррекцией одинарных, использующая код SECDED

При чтении из памяти формирователем синдрома вычисляется синдром S4 ... S0:

S0 = P0 MP0;

S1 = P1 MP1;

S2 = P2 MP2;

S3 = P3 MP3;

S4 = P4 MP4.