Содержание
Постоя́нное запомина́ющее устро́йство (ПЗУ) — энергонезависимая память, используется для хранения массива неизменяемых данных.
Содержание
Классификация [ править | править код ]
По типу исполнения ПЗУ выделяют:
- ПЗУ, в которых массив данных (в обиходе называемый «прошивкой») совмещён с устройством выборки (считывающим устройством):
- микросхема ПЗУ;
- один из внутренних ресурсов однокристального компьютера (микроконтроллера), как правило, FlashROM;
- моноскоп;
По разновидностям микросхем выделяют ПЗУ:
- по технологии изготовления кристалла:
- ROM — (англ. read-only memory , постоянное запоминающее устройство) — масочное ПЗУ, изготовляемое фабричным методом;
- PROM — (англ. programmable read-only memory , программируемое ПЗУ (ППЗУ)) — ПЗУ, однократно «прошиваемое» пользователем;
- EPROM (англ. erasable programmable read-only memory ) — перепрограммируемое ПЗУ, например, содержимое микросхемы К573РФ1 стиралось при помощи ультрафиолетовой лампы. Для прохождения ультрафиолетовых лучей к кристаллу в корпусе микросхемы было предусмотрено окошко с кварцевым стеклом;
- EEPROM (англ. electrically erasable programmable read-only memory — электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ, память которого может стираться и заполняться данными несколько десятков тысяч раз, используется в твердотельных накопителях, одной из разновидностей EEPROM является флеш-память;
- ПЗУ на магнитных доменах, например, К1602РЦ5, которое имело сложное устройство выборки и хранило довольно большой объём данных в виде намагниченных областей кристалла, при этом не имея движущихся частей, обеспечивает неограниченное количество циклов перезаписи;
- NVRAM (англ. non-volatile memory , «неразрушающаяся» память) — ПЗУ, выполняющее роль ОЗУ небольшого объёма, конструктивно совмещённое с батарейкой; в СССР такие устройства часто назывались «Dallas» по имени фирмы Dallas Semiconductor[en] , выпустившей их на рынок; в NVRAM современных ЭВМ батарейка уже конструктивно не связана с ОЗУ и может быть заменена;
Применение [ править | править код ]
В постоянную память часто записывают микропрограмму управления техническим устройством: телевизором, сотовым телефоном, различными контроллерами или компьютером (BIOS или OpenBoot на машинах SPARC).
BootROM — такая прошивка, что если её записать в подходящую микросхему ПЗУ, установленную в сетевой карте, то становится возможной загрузка операционной системы на компьютер с удалённого узла локальной сети. Для встроенных в ЭВМ сетевых плат BootROM можно активировать через BIOS.
ПЗУ в IBM-PC-совместимых ЭВМ располагается в адресном пространстве с F600:0000 по FD00:0FFF.
Исторические типы ПЗУ [ править | править код ]
Постоянные запоминающие устройства стали находить применение в технике задолго до появления ЭВМ и электронных приборов. В частности, одним из первых типов ПЗУ был кулачковый валик, применявшийся в шарманках, музыкальных шкатулках, часах с боем.
С развитием электронной техники и ЭВМ возникла необходимость в быстродействующих ПЗУ. В эпоху вакуумной электроники находили применение ПЗУ на основе потенциалоскопов, моноскопов, лучевых ламп. В ЭВМ на базе транзисторов в качестве ПЗУ небольшой ёмкости широко использовались штепсельные матрицы. При необходимости хранения больших объёмов данных (для ЭВМ первых поколений — несколько десятков килобайт) применялись ПЗУ на базе ферритовых колец (не следует путать их с похожими типами ОЗУ). Именно от этих типов ПЗУ и берёт своё начало термин «прошивка» — логическое состояние ячейки задавалось направлением навивки провода, охватывающего кольцо. Поскольку тонкий провод требовалось протягивать через цепочку ферритовых колец для выполнения этой операции применялись металлические иглы, аналогичные швейным. Да и сама операция наполнения ПЗУ информацией напоминала процесс шитья.
ПОСТОЯННАЯ ПАМЯТЬ — ПОСТОЯННАЯ ПАМЯТЬ. То же, что долговременная память … Новый словарь методических терминов и понятий (теория и практика обучения языкам)
постоянная память — односторонне запоминающее устройство; односторонняя память; отрасл. постоянная память Запоминающее устройство, из которого машина может производить только считывание информации, а изменение информации в нем осуществляется извне (например,… … Политехнический терминологический толковый словарь
постоянная память — pastovioji atmintis statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. fixed memory; fixed storage; permanent memory; permanent storage; read only memory; read only storage; ROM vok. Festspeicher, m; Festwertspeicher, m; Permanentspeicher, m; ROM… … Automatikos terminų žodynas
ПОСТОЯННАЯ ПАМЯТЬ — См. долговременная память … Толковый словарь по психологии
управляющая постоянная память — управляющее ПЗУ — [Е.С.Алексеев, А.А.Мячев. Англо русский толковый словарь по системотехнике ЭВМ. Москва 1993] Тематики информационные технологии в целом Синонимы управляющее ПЗУ EN control read only memoryCROM … Справочник технического переводчика
ПАМЯТЬ ПОСТОЯННАЯ — ПАМЯТЬ ПОСТОЯННАЯ. См. постоянная память … Новый словарь методических терминов и понятий (теория и практика обучения языкам)
Память долговременная (ДВП) — – память на информацию, которая ранее была в достаточной степени обработана и и затем прочно интегрирована в систему знания индивида. Объём этой памяти практически ничем не ограничен, как и время хранения информации (многие впечатления… … Энциклопедический словарь по психологии и педагогике
Память ЭВМ — совокупность технических устройств и процессов, обеспечивающих запись, хранение и воспроизведение информации в ЭВМ. Память основная часть любой вычислительной системы или отдельной вычислительной машины, она реализуется аппаратурно в виде … Большая советская энциклопедия
память ЭВМ — часть вычислительной системы или отдельной ЭВМ, служащая для записи, хранения и выдачи информации, используемой в ходе вычислительного процесса (программы, исходные данные, промежуточные и окончательные результаты их обработки, константы и пр.).… … Энциклопедия техники
ПАМЯТЬ — (1) системы свойство сложной кибернетической системы накапливать в какой либо форме информацию и в зависимости от этого изменять выполняемые действия, т. е. преобразовывать информацию. Запоминание информации происходит или путём изменения… … Большая политехническая энциклопедия
Постоянная память является энергонезависимой, информация в ней сохраняется и после выключения питания компьютера.
Существует множество типов энергонезависимой памяти: ROM, PROM, EPROM, EEPROM, Flash Memory, различающихся по своим свойствам, обусловленным способом построения запоминающих ячеек, и сферам применения. Запись информации в энергонезависимую память, называемая 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). Самые первые постоянные запоминающие устройства выполнялись на магнитных сердечниках, где информация заносилась их прошивкой проводниками считывания. С тех пор применительно к программированию ПЗУ укоренилось понятие "прошивка".
По возможности программирования различают:
- Микросхемы, программируемые при изготовлении (масочные ПЗУ) – ROM.
- Микросхемы, программируемые однократно после изготовления перед установкой в целевое устройство (прожигаемые ПЗУ, программируемые на специальных программаторах) – PROM (Programmable ROM) или ППЗУ (программируемые ПЗУ).
- Микросхемы, стираемые и программируемые многократно – РПЗУ (репрограммируемые ПЗУ), EPROM (Eraseable PROM – стираемые ПЗУ).
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 (Eraseable ROM – стираемые микросхемы) или UV-EPROM (Ultra-Violet EPROM, УФРПЗУ);
- электрически стираемые микросхемы EEPROM (Electrical Eraseable PROM, ЭСПЗУ), в том числе и флэш-память.
Процедура программирования многих типов памяти требует наличия относительно высокого напряжения программирования (12-26 В). Стирание или программирование микросхем может выполняться либо в специальном устройстве – программаторе, либо в самом целевом устройстве, если у него предусмотрены соответствующие средства. Для микросхем, не извлекаемых из целевого устройства (PC), возможны два метода их перепрограммирования:
- используя собственный процессор PC – ISW (In-System Write);
- подключая к плате внешний программатор – OBP (On-Board Programming).
Энергонезависимая память в основном применяется для хранения неизменяемой (или редко изменяемой) информации – системного программного обеспечения (BIOS), таблиц (например, знакогенераторов графических адаптеров), памяти конфигурации устройств. Эта информация обычно является ключевой для функционирования PC, поэтому весьма существенна забота о ее сохранности и предотвращении несанкционированного изменения. Нежелательное (ошибочное или под воздействием вируса) изменение содержимого становится возможным при использовании для хранения BIOS флэш-памяти, программируемой в целевом устройстве (на системной плате PC). Флэш-память используется и в качестве внешней памяти (как альтернатива дисковой), позволяющей как считывать, так и оперативно записывать новые данные.
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). Это название подразумевает возможность произвольной смены информации не только во всей ее области, но и в отдельной ячейке или небольшом блоке.
Программирование масочного ПЗУ производится на заводе изготовителе, что очень неудобно для мелких и средних серий производства, не говоря уже о стадии разработки устройства. Естественно, что для крупносерийного производства масочные ПЗУ являются самым дешевым видом ПЗУ. Для мелких и средних серий производства радиоаппаратуры были разработаны микросхемы, которые можно программировать в специальных устройствах – программаторах. В этих микросхемах постоянное соединение проводников в запоминающей матрице заменяется плавкими перемычками, изготовленными из поликристаллического кремния. При производстве микросхемы изготавливаются все перемычки, что эквивалентно записи во все ячейки памяти логических единиц. В процессе программирования на выводы питания и выходы микросхемы подаётся повышенное питание. При этом, если на выход микросхемы подаётся напряжение питания (логическая единица), то через перемычку ток протекать не будет и перемычка останется неповрежденной. Если же на выход микросхемы подать низкий уровень напряжения (присоединить к корпусу), то через перемычку будет протекать ток, который испарит эту перемычку и при последующем считывании информации из этой ячейки будет считываться логический ноль.
Рис.1. Организация ПЗУ с пережигаемыми перемычками
Программируемые ПЗУ оказались очень удобны при мелкосерийном и среднесерийном производстве. Однако при разработке радиоэлектронных устройств часто приходится менять записываемую в ПЗУ программу. ППЗУ при этом невозможно использовать повторно, поэтому раз записанное ПЗУ при ошибочной или промежуточной программе приходится выкидывать, что естественно повышает стоимость разработки аппаратуры. Для устранения этого недостатка был разработан еще один вид ПЗУ, который мог бы стираться и программироваться заново.
ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием строится на основе запоминающей матрицы построенной на ячейках памяти, внутреннее устройство которой приведено на следующем рисунке:
Рис.2. Запоминающая ячейка ПЗУ
с ультрафиолетовым и электрическим стиранием.
Ячейка представляет собой МОП транзистор, в котором затвор выполняется из поликристаллического кремния. Затем в процессе изготовления микросхемы этот затвор окисляется и в результате он будет окружен оксидом кремния – диэлектриком с прекрасными изолирующими свойствами. В описанной ячейке при полностью стертом ПЗУ заряда в плавающем затворе нет, и поэтому транзистор ток не проводит. При программировании микросхемы на второй затвор, находящийся над плавающим затвором, подаётся высокое напряжение и в плавающий затвор за счет тунельного эффекта индуцируются заряды. После снятия программирующего напряжения на плавающем затворе индуцированный заряд остаётся и, следовательно, транзистор остаётся в проводящем состоянии. Заряд на плавающем затворе может храниться десятки лет.
Структурная схема постоянного запоминающего устройства не отличается от описанного ранее масочного ПЗУ. Единственно вместо перемычки используется описанная выше ячейка. В репрограммируемых ПЗУ стирание ранее записанной информации осуществляется ультрафиолетовым излучением. Для того, чтобы этот свет мог беспрепятственно проходить к полупроводниковому кристаллу, в корпус микросхемы встраивается окошко из кварцевого стекла.
При облучении микросхемы, изолирующие свойства оксида кремния теряются и накопленный заряд из плавающего затвора стекает в объем полупроводника и транзистор запоминающей ячейки переходит в закрытое состояние. Время стирания микросхемы колеблется в пределах 10 – 30 минут.
Количество циклов записи – стирания микросхем находится в диапазоне от 10 до 100 раз, после чего микросхема выходит из строя. Это связано с разрушающим воздействием ультрафиолетового излучения. В этих микросхемах раньше хранились программы BIOS универсальных компьютеров
В такой микросхеме имеется небольшое окошко с кварцевым стеклом. За ним находится кристалл, который облучается ультрафиолетом. После стирания информации это окошко заклеивают. Частичная перезапись данных по-прежнему остается невозможной, так как рентгеновские и ультрафиолетовые лучи изменяют все биты стираемой области в положение 1. Повторная запись данных осуществляется также на программаторах (как в ROM и EROM). Вообще, EPROM была основана на МОП (металл-оксид-полупроводник) транзисторах. Запись данных в ячейки такого транзистора производилась методом лавинной инжекции заряда (о методах записи будет сказано ниже). Этот метод давал возможность неоднократно перезаписывать данные памяти (хотя количество циклов было ограниченным).
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.
Современная флэш-память имеет время доступа при чтении 35-200 нс, существуют версии с интерфейсом динамической памяти и . напоминающим интерфейс синхронной статической памяти. Стирание информации (поблочное или во всей микросхеме) занимает 1-2 сек. Программирование (запись) байта занимает время порядка 10 мкс, причем шинные циклы при записи – нормальные для процессора (не растянутые, как для EPROM и EEPROM)."
"Интерфейс микросхем флэш-памяти хорошо сочетается со стандартными сигналами, используемыми в микропроцессорных системах. Внутренние циклы стирания, записи и верификации (проверки) выполняются автономно от шинных циклов внешнего интерфейса, что является существенным преимуществом перед микросхемами EPROM и EEPROM.
"Первые микросхемы флэш-памяти были предложены фирмой Intel в 1988 году и с тех пор претерпели существенные изменения по архитектуре, интерфейсу и напряжению питания. По организации массива различаются микросхемы:
- Bulk Erase – стирание возможно только для всего объема.
- Boot Lock – массив разделен на несколько блоков разного размера, стираемых независимо. Один из блоков имеет дополнительные аппаратные средства зашиты от стирания и записи.
- Flash File – массив разделен на несколько равноправных независимо стираемых блоков обычно одинакового размера, что позволяет их называть микросхемами с симметричной архитектурой SA (Symmetrical Architecture)."
"Микросхемы Boot Lock специально предназначены для хранения BIOS, а привелигерованный блок (Boot Block) хранит минимальный загрузчик, позволяющий загрузить (например с дискеты) и выполнить утилиту программирования основного блока флэш-памяти. В обозначении этих микросхем присутствует суффикс T (Top) или B (Bottom), определяющий положение Boot-блока либо в старших, либо в младших адресах соответственно. Первые предназначены для процессоров, стартующих со старших адресов (в том числе x86, Pentium), вторые – для стартующих с нулевого адреса.
Микросхемы с небольшим размером стираемого сектора кроме BIOS в блоках параметров могут хранить и конфигурационную информацию (ESCD системы PnP, конфигурацию устройств EISA и MCA). Применение микросхем большого объема позволяет кроме BIOS хранить и дополнительный резидентный код, например, в портативных компьютерах во флэш-память может помещаться ядро ОС (MS-DOS), что позволяет экономить энергию за счет сокращения количества обращений к диску.
Гибкость системы, обретаемая при использовании флэш-памяти как носителя BIOS, имеет и негативные обратные стороны – возможность повреждения в случае неудачной записи или записи неподходящей версии и появление новой и достаточно благодатной почвы для вирусов, которые могут незаметно переписать код BIOS в своих диверсионных целях. В связи с этим актуальна защита BIOS от несанкционированного изменения.
Микросхемы флэш-памяти выпускаются многими фирмами. Они различаются по организации, интерфейсу, напряжению питания и программирования, методам защиты и другим параметрам. Лидеры в области разработки и производства флэш-памяти – фирмы AMD, Fujitsu Corporation, Intel Corporation и Sharp Corporation летом 1996 года приняли спецификацию CFI (Common Flash Interface), обеспечивающую совместимость разрабатываемого программного обеспечения с существующими и разрабатываемыми моделями флэш-памяти.
По устройству чип флэш–памяти отдаленно напоминает микросхему динамической энергозависимой памяти, только вместо конденсаторов в ячейках памяти установлены полупроводниковые приборы — транзисторы. При подаче напряжения на выводы транзистора он принимает одно из фиксированных положений — закрытое или открытое. И остается в этом положении до тех пор, пока на выводы транзистора не будет подан электрический заряд, изменяющий его состояние. Таким образом, последовательность логических нулей и единиц формируется в этом типе памяти подобно ПЗУ — закрытые для прохождения электрического тока ячейки распознаются как логические единицы, открытые — как логические нули.
Таким образом, в самом простом случае ячейка Flash состоит из одного полевого транзистора. Элемент включает в себя специальную электрически изолированную область, называемую «плавающим затвором». Этот термин возник из–за того, что потенциал этой области не является стабильным, что позволяет накапливать в ней электроны (именно здесь и хранится вся информация памяти). Выше «плавающего» находится управляющий затвор, который является неотъемлемой частью при процессе записи/стирания данных памяти. Эта область напрямую соединена с линией слов. Перпендикулярно этой линии располагается линия битов, которая соединена со стоком (при записи данных из этой области транзистора появляется поток электронов). Сток разделяется с истоком специальной подложкой, которая не проводит электрический ток.
Рис.3. Ячейка Flash памяти
В начале развития Flash каждая ячейка памяти хранила один бит информации и состоила из одного полевого транзистора. Прогресс не стоит на месте, через несколько лет после выпуска чудо–микросхемы были проведены успешные испытания Flash, в которых ячейка хранила уже два бита. Естественно, что на такую память можно было записать в два раза больше информации. В настоящее время уже существуют теоретические разработки памяти с четырехбитными ячейками.
Как же устроена такая ячейка? Ведь теоретически наличие заряда в ячейке памяти означает 1, отсутствие 0, остальные значения представить невозможно. Но на самом деле, в микросхеме существует различие величин заряда, которые накапливаются на «плавающем» затворе. Благодаря этому различию, информация в ячейке может быть представлена различными битовыми комбинациями. Величину заряда на затворе можно определить измерением порогового (максимального) напряжения транзистора и по итогам этого измерения представить битовую комбинацию.
Перезапись и стирание Flash значительно изнашивает микросхему, поэтому технологии производства памяти постоянно совершенствуются, внедряются оптимизирующие способы записи микросхемы, а также алгоритмы, направленные на равномерное использование всех ячеек в процессе работы.
Преимущества флэш-памяти в независимости от наличия или отсутствия электрического питания, в долговременности хранения информации (производители гарантируют сохранность данных на протяжении 10 лет, но на практике должно быть больше) и в высокой механической надежности (в накопителях на базе флэш–памяти нет никаких механических устройств, следовательно, нечему ломаться). Недостатки — в высокой сложности устройства (транзисторы имеют микронные размеры), в невысоком быстродействии (время изменения состояния транзистора больше, чем время заряда–разряда конденсатора) и в относительно высокой стоимости микросхем.
Флэш-память быстро прогрессирует. За последние несколько лет появились новые типы микросхем — был осуществлен массовый переход с 5-вольтовой технологии питания на 3,3–вольтовую, были применены новые типы полупроводниковых приборов, разработаны и внедрены в производство механизмы ускорения процедуры записи–чтения информации.
Хотя Flash и лидирует на компьютерном рынке, ее могут вытеснить другие новые технологии. Например, новейшая память на кремниевых нанокристаллах. Отличие такой памяти от Flash в следующем: подложка между стоком и истоком состоит из кремниевых нанокристалльных сфер. Такая прослойка предотвращает передачу заряда с одного нанокристалла на другой, повышая таким образом надежность — один дефект не ведет к полному сбою, как в нынешней энергонезависимой памяти на транзисторах с плавающим затвором. Первый в мире работоспособный образец такой памяти был предоставлен компанией Motorola.
Ячейки флэш-памяти бывают как на одном, так и на двух транзисторах. В простейшем случае каждая ячейка хранит один бит информации и состоит из одного полевого транзистора со специальной электрически изолированной областью ("плавающим" затвором – floating gate), способной хранить заряд многие годы. Наличие или отсутствие заряда кодирует один бит информации. При записи заряд помещается на плавающий затвор одним из двух способов (зависит от типа ячейки): методом инжекции "горячих" электронов или методом туннелирования электронов. Стирание содержимого ячейки (снятие заряда с "плавающего" затвора) производится методом тунеллирования. Как правило, наличие заряда на транзисторе понимается как логический "0", а его отсутствие – как логическая "1". Современная флэш-память (2006г.) обычно изготавливается по 0,13- и 0,18-микронному техпроцессу.
Принцип чтения микросхемы Flash довольно прост и базируется на законах квантовой механики. При извлечении данных из памяти, заряд на “плавающем” затворе отсутствует, а на управляющий затвор подается заряд положительного направления. Под его воздействием между стоком и истоком создается канал трассировки (свободная зона на кристалле транзистора, выделенная для реализации межсоединений ячеек). Все это происходит за счет туннельного эффекта, а данные памяти затем можно считывать с истока.
Рис. 4. Чтение данных из ячейки памяти
Если на “плавающем” затворе имеется заряд, то обычного напряжения (которое подается при чтении) недостаточно. Поэтому при записи применяют метод инжекции электронов. Суть его заключается в следующем: на управляющий затвор и исток подается высокое напряжение (причем на затворе оно в два раза выше). Благодаря этому напряжению, электроны способны преодолеть тонкую пленку диэлектрика и попасть на “плавающий” затвор. Такой процесс получил название “инжекция горячих электронов” (термин “горячий” условен, электроны были названы так, потому что обладают высокой энергией, достаточной для преодоления слоя диэлектрика).
Рис.5. Запись данных в ячейку памяти
Чтобы стереть информацию из памяти, достаточно подать высокое положительное напряжение на исток. Под его воздействием отрицательные электроны с “плавающего” затвора (благодаря туннельному эффекту) переходят в область истока. Процесс продолжается до полной разрядки затвора. Ускорить метод туннелирования электронов можно путем подачи дополнительного высокого отрицательного напряжения на управляющий затвор.
Эффект туннелирования – один из эффектов, использующих волновые свойства электрона. Сам эффект заключается в преодолении электроном потенциального барьера малой "толщины". Для наглядности представим себе структуру, состоящую из двух проводящих областей, разделенных тонким слоем диэлектрика (обеднённая область). Преодолеть этот слой обычным способом электрон не может – не хватает энергии. Но при создании определённых условий (соответствующее напряжение и т.п.) электрон проскакивает слой диэлектрика (туннелирует сквозь него), создавая ток.
Мы рассмотрели простейший случай, когда каждая ячейка Flash хранит один бит информации и состоит из одного полевого транзистора.
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:
