Постійні запам’ятовуючі пристрої

Boot Block (BB) – масив розділений на кілька блоків різного розміру, які стираються незалежно, причому один із блоків має додаткові засоби захисту від стирання та запису.

Flash File – масив розділений на декілька блоків як правило однакового розміру, які стираються незалежно, що дозволяє їх називати мікросхемами з симетричною архітектурою.

Архітектура ВЕ застосовувалась тільки в мікросхемах першого покоління, її недоліки очевидні – отримується просто аналог EEPROM з більш зручним способом стирання та інтерфейсом програмування. Усі сучасні мікросхеми секторовані (розбиті на окремі блоки стирання), так що залишається лише поділ на симетричну та асиметричну архітектури.

В симетричні архітектурі (SA), як правило, пам'ять розбивається на блоки по 64 Кбайт; один із крайніх блоків (з найменшою або найбільшою адресою) може мати додатковий засіб захисту.

В асиметричній архітектурі один із 64-кілобайтних длоків розбивається на 8 блоків по 8 Кбайт. Один із блоків має додаткові апаратні засоби захисту від модифікації і призначається для запланованих модифікацій решти областей. Ці мікросхеми спеціально призначені для зберігання системного програмного забезпечення (BIOS), а привілегійований блок (Boot Block) – для зберігання мінімального завантажувача, який дозволяє завантажити (наприклад, з диску) і виконати утиліту програмування основного блоку флеш-пам'яті. В позначенні цих мікросхем присутній суфікс Т (Тор) або В (Bottom), який визначає положення завантажувального блоку або в старших, або в молодших адресах відповідно. Перші призначені для процесорів, які стартують з старших адрес (у тому числі 86, Pentium), другі – для стартуючих з нульової адреси, хоча можливі і протилежні варіанти, коли деякі біти шини адрес перед подачею на мікросхему пам'яті інвертуються. Старі мікросхеми ВВ малого об'єму мали дещо інший розподіл. Наприклад, мікросхема 28F001BX-T (28F001BN-T), яка часто використовується для флеш-BIOS в ПК, містить:

основний блок (main block) об'ємом 112 Кбайт (00000h-1BFFFh) ;

два блоки параметрів (parameter block) об'ємом по 8 Кбайт (1C000h-1CFFFh і 1D000h-1DFFFh) ;

завантажувальний блок (boot block) об'ємом 8 Кбайт (1E000h-1FFFFh), стирання та програмування якого можливі лише за особливих умов.

Основний блок і блоки параметрів по захисту рівноправні; виділення невеликих блоків параметрів дозволяє зберігати в них часто змінну інформацію, наприклад, ESCD системи Plug and Play.

За організацією матриці комірок розрізняють архітектури NOR i NAND. В традиційній архітектурі NOR транзистори на одному проводі об'єднуються своїми стоками паралельно, ніби утворюючи логічний елемент АБО-НІ (Not OR, NOR). Ця архітектура забезпечує високу швидкодію довільного зчитування, що дозволяє виконувати програми прямо із флеш-пам'яті (не копіюючи в ОЗП) без втрати продуктивності. Для сучасної пам'яті NOR характерні об'єм 16-256 Мбіт (технологія 120 і 90 нм) і час доступу 70-90 нс. Інтерфейс аналогічний SRAM, причому як асинхронної, так і синхронної (пакетної) пам'яті.

В архітектурі NAND декілька транзисторів різних комірок сполучаються послідовно, утворюючи логічний елемент І-НЕ (Not AND, NAND), що дає високу швидкість послідовних звертань (але не довільних). Для пам'яті NAND характерна висока щільність упаковки: від 64 Мбіт до 64 Гбіт (2 Гбайт) в одному корпусі, при цьому час циклу послідовного зчитування становить порядку 50 нс. Час програмування сторінки в 2112 байт (2048 байт даних + 64 службові байти) – 200 мкс, час стирання 128-кілобайтного блоку – 2 мс. Таку пам'ять застосовують у твердотільних пристроях зберігання.

З'явилися і комбіновані типи пам'яті, наприклад OneNAND (Samsung), у яких ядро флеш-пам'яті NAND об'єднане з буфером SRAM. В результаті отримують пам'ять, яка поєднує високу швидкість з можливістю довільного доступу. В цій пам'яті ще й вбудований ECC-контроль, який дозволяє виправити однократні та віявляти двократні помилки.

У перших мікросхемах флеш-пам'яті кожна комірка (один транзистор) призначалася для зберігання одного біта інформації (1 – стерта, 0 – «прошита»). Пізніше з'явилася технологія зберігання двох бітів в одній комірці – завдяки удосконаленню технології вдалося надійно розрізняти 4 стани комірки, що і потрібно для зберігання двох бітів. Два біти в комірці зберігає пам'ять Intel StrataFlash, ємність однієї такої мікросхеми уже досягла 256 Мбайт.

Флеш-пам'ять постійно розвивається в плані як підвищення ємності і зниження споживання, так і розширення можливостей і підвищення продуктивності. Так, наприклад, в ряді мікросхем AMD є можливість зчитування одночасно з записом інших блоків (зчитування під час стирання стало можливим ще з другого покоління флеш-пам'яті).

Деякі мікросхеми забезпечують швидкий обмін в режимі сторінки (page mode). Сторінкою є 4 або 8 суміжних комірок; перше зчитування в сторінці виконується з часом доступу 70 нс. Якщо мікросхема залишається вибраною, то інші комірки цієї сторінки (які відрізняються значенням молодших бітів адреси) можна зчитувати циклами тривалістю 10-20 нс. Доступ до одинарних комірок не відрізняється від звичайного. Мікросхеми з пакетним режимом (burst mode) на додачу до одинарного та посторінкового асинхронних режимів можуть працювати і в синхронному (інтерфейс РВ Sync SRAM). Для цього вони мають вхід синхронізації CLK. Адреса початку пакета передається разом з сигналом ADV# (фіксуються за позитивним перепадом CLK). Перші дані на виході з'являться через 2-3 такти, після чого в кожному наступному такті видаються чергові дані (тактова частота до 66 МГц).

Випускалася і синхронна флеш-пам'ять з інтерфейсом SDRAM, наприклад, MT28S4M16LC (2001 р., частота до 66 МГц) – 1М  16  4. Така пам'ять зручна для зберігання програмного забезпечення, яке використовується на місці (без копіювання в ОЗП) у вбудованих комп'ютерах.

Мікросхеми флеш-пам'яті з симетричною архітектурою випускаються і з інтерфейсом DRAM – з мультиплексованою шиною адрем, що стробується сигналами RAS# і CAS#. Вони призначені для застосування в модулях SIMM або DIMM, які встановлюються в гнізда мікросхем звичайної динамічної пам'яті. Таким чином реалізуються, наприклад, модулі PostScript для лазерних принтерів і будь-які резидентні програмні модулі. Ці модулі, природно, не будуть визначатися системою як основна пам'ять. Також вони не будуть сприйматися і як модулі додаткової системи BIOS, оскільки займуть фізичні адреми, які для цього не підходять. Використовувати ці модулі можна лише за допомогою спеціального драйвера, який «пояснить» чіпсету, якому діапазону адрес простору пам'яті відповідають сигналу вибірки банків флеш-пам'яті. Оскільки інтерфейс модулів SIMM і DIMM не передбачає сигналів захисту запису, системного скидання і додаткового живлення + 12 В, всі питання, пов'язані з програмуванням та захистом, вирішуються додатковими елементами, які встановлюються на модулях. При використанні 16-бітних мікросхем такі модулі безпосередньо не забезпечують незалежний побайтовий запис, але він може забезпечуватися програмно, маскуванням (записом 0FFh) немодифікованих байтів.

Для зберігання BIOS з'явилися мікросхеми флеш-пам'яті з інтерфейсом LPC, які називаються хабами (firmware hub).

Для деяких сфер застосування потрібні спеціальні міри по блокуванню зміни інформації користувачем. Так, Intel в деякі мікросхеми вводить регістри однократного запису (One-Time-Programmable, OTP). Один 64-бітний регістр містить унікальний заводський номер, інший може програмуватися користувачем лише один раз.

Intel випускає мікросхеми «Wireless Flash Memory», які орієнтовані на застосування в засобах бездротового зв'язку (сотові телефони з доступом в Інтернет) : живлення – 1, 85 В, наявність регістрів ОТР для захисту від шахрайства і т. п.

 

 

Мікросхеми флеш-пам'яті упаковують в корпуси зі стандартизованим призначенням виводів. Перші мікросхеми випускалися в корпусах DIP, що забезпечувало легкість заміни мікросхем (Е) PROM флеш-пам'яттю. Потім з метою мінітюаризації перейшли до корпусів PLCC, TSOP i TSOP-II. Застосування корпусів FBGA – матриці із 6  8 кулькових виводів з кроком 0, 8 мм – дозволяє зменшити розмір корпуса до мінімуму, який потрібен для упаковки кристалу. Для мікросхем, що використовуються в картах SmartMedia, застосовують і оригінальну упаковку KGD (Known Good Die).

Інтерфейс мікросхем флеш-пам'яті добре узгоджується зі стандартними сигналами, які використовуються в мікропроцесорних системах. Внутрішні цикли стирання, запису і верифікації виконуються автономно від шинних циклів зовнішнього інтерфейсу, що є суттєвою перевагою перед мікросхемами EPROM i EEPROM. У режимі читання вони повністю сумісні з EPROM, співпадаючи з ними і за розташуванням основних виводів.

Позначення мікросхем для виробів лідерів в області розробки і виробництва флеш-пам'яті – фірм Intel та AMD – дещо відрізняються. Решта виробників для своїх аналогічних за властивостями виробів в основному дотримуються системи позначення лідерів.

Позначення мікросхем флеш-пам'яті Intel починається з ознаки 28F, за якою слідує тризначний код об'єму, а за ними – два символи технології та архітектури:

В5, ВС, ВХ, BR – Boot Block з живленням 5 В;

C3 – Boot Block з живленням 3 В;

F3 – Boot Block з живленням 3 В, підвищена швидкодія;

J3 J5 – StrataFlash (SA) з живленням 3 і 5 В відповідно;

S3 i S5 – Flash File (SA) з живленням 3 и 5 В відповідно.

Для флеш-пам'яті AMD перша частина позначення визначає тип і характеристики мікросхем:

Am29BDS – 1, 8 В, зчитування одночасно з записом, пакетний режим читання;

Am29DS – 1, 8 В, зчитування одночасно з записом;

Am29SL – 1, 8 В;

Am29LV – 3 В;

Am29DL – 3 В, зчитування одночасно з записом;

Am29BL – 3 В, пакетний режим зчитування;

Am29PL – 3 В, сторінковий режим зчитування;

Am30LV – 3 В, UltraNAND;

Am29F – 5 В.

Далі слідує тризначний код об'єму, за ним – символ технології виготовлення (В, С або D), за яким іде символ архітектури:

Т – boot sector, верхній;

B – boot sector, нижній;

Н – симетрична архітектура, захищений блок зі старшою адресою;

L – симетрична архітектура, захищений блок з молодшою адресою;

U (немає символу) – симетрична архітектура;

J40 – число 100-відсотково годних блоків (лише для UltraNAND).