Постоянная и полупостоянная память

Масочные постоянные запоминающие устройства — ПЗУ или ROM — имеют самое высокое быстродействие (время доступа 30–70 нс). Эти микросхемы в PC широкого применения не получили ввиду сложности модификации содержимого (только путем изготовления новых микросхем); они иногда применялись в качестве знакогенераторов в некоторых моделях графических адаптеров CGA, MDA, HGC.

Однократно программируемые постоянные запоминающие устройства — ППЗУ или PROM — имеют аналогичные параметры и благодаря возможности программирования изготовителем оборудования (а не микросхем) находят более широкое применение для хранения кодов BIOS и в графических адаптерах. Программирование этих микросхем осуществляется только с помощью специальных программаторов, в целевых устройствах 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 или EPROM — до недавних пор были самыми распространенными носителями BIOS как на системных платах, так и в адаптерах, а также использовались в качестве знакогенераторов. Наиболее популярные микросхемы имеют восьмибитную организацию и обозначение вида 27xx-tt или 27Cxx-tt для микросхем CMOS. Здесь xx определяет емкость в килобитах: 2708 — 1 К×8 — родоначальник семейства, 2716/32/64/128/256/512 имеют емкость 2/4/8/16/32/64 Кбайт соответственно, 27010 и 27020 — 128 и 256 Кбайт. Время доступа tt лежит в диапазоне 50–250 нс. Шестнадцатибитные микросхемы (например, 27001 или 27002 емкостью 64 К или 128 К 16-битных слов) в PC применяются редко.

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, предотвращая стирание под действием солнечного или люминесцентного облучения. Время стирания зависит от расстояния до источника облучения, его мощности и объема микросхемы (более емкие микросхемы стираются быстрее). Вместо штатных стирающих устройств можно пользоваться и обычной медицинской ультрафиолетовой лампой с расстояния порядка 10 см. Для микросхем 2764 ориентировочное время стирания составляет 5 минут. Стирание переводит все биты в единичное состояние. «Недостертые» микросхемы при программировании могут давать ошибки, передержка при стирании снижает количество возможных циклов перепрограммирования (в пределе — до нуля).

Некоторые микросхемы, похожие по виду и обозначению на стираемые ультрафиолетом, не имеют окна (они упакованы в дешевый пластмассовый корпус). Эти микросхемы либо стираются рентгеновским облучением (что не совсем удобно), либо допускают лишь однократно программирование, которое может выполняться и по заказу фирмой-производителем микросхем. Их интерфейс полностью совпадает с интерфейсом обычных микросхем EPROM 27хх.

С программированием ПЗУ приходится сталкиваться при русификации графических адаптеров (CGA, MDA, HGC) и принтеров с незагружаемыми знакогенераторами, а также при замене (или восстановлении) системной микросхемы BIOS или микросхемы Boot ROM — микросхемы удаленной загрузки для адаптера локальной сети. Распространенные программаторы EPROM имеют интерфейс подключения к СОМ- или LPT-порту PC или подключаются через собственную карту расширения (обычно с шиной ISA). Время программирования зависит от типа и объема микросхемы и применяемого алгоритма программирования. Классический алгоритм с 50-миллисекундными импульсами записи каждой ячейки для современных микросхем практически не используется. Более быстрые «интеллигентные» алгоритмы позволяют записывать 8 килобайт (2764) менее чем за минуту. Вся процедура программирования может затягиваться при использовании медленного интерфейса связи программатора с PC (например, СОМ-порт на скорости 2400 бод) за счет длительной процедуры копирования данных в буфер программатора.

Интерфейс микросхем постоянной памяти в режиме чтения совпадает с интерфейсом статической памяти. Для программирования (записи) требуется приложение ко входу V_PP напряжения программирования, которое для различных типов EPROM лежит в диапазоне 12–26 В (обычно указывается на корпусе микросхемы). Комбинации управляющих сигналов, формирующие импульсы записи для EPROM разной емкости, различны. При напряжении на входе V_PP 5 В и ниже модификация памяти (запись) невозможна ни при каких комбинациях управляющих сигналов, и микросхемы работают строго в режиме ROM. Этот режим и используется для микросхем BIOS, так что никакой вирус им не страшен.

В PC чаще всего применяют микросхемы EPROM в корпусах DIP и PLCC (табл. 7.21), расположение выводов популярных микросхем приведено на рис. 7.18 и 7.19.

Рис. 7.18. Расположение выводов микросхем EPROM в корпусах DIP: a — DIP-24, б — DIP-28, в — DIP-32

Рис. 7.19. Расположение выводов микросхем EPROM в корпусах TSOP и PLCC: а — TSOP-32, б — PLCC-32

Таблица 7.21. Популярные микросхемы EPROM

Микросхема и организация	Корпус	Рисунок	Примечание
2716 — 2 К×8	DIP-24	7.18, а	20 = ОЕ#; 21 = V_pp
2732 — 4 К×8	DIP-24	7.18, а	20 = OE#/V_pp, 21=A11
2764 — 8 К×8	DIP-28	7.18, б	1 = V_pp, 22 = OE#; 26 = NC, 27 = PGM#
27128 — 16 К×8	DIP-28	7.18, б	1 = V_pp, 22 = OE#; 26 = A13, 27 = PGM#
27256 — 32 К×8	DIP-28	7.18, б	1 = V_pp, 22 = OE#; 26 = A13, 27 = A14
27512 — 64 К×8	DIP-28	7.18, б	1 = A15, 22 = OE#/V_pp, 26 = A13, 27 = A14
27010 — 128 К×8	DIP-32	7.18, б	30 = NC
27010 — 128 К×8	TSOP-32	7.19, а	6 = NC
27010 — 128 К×8	PLCC-32	7.19, б	30 = NC
27020 — 256 К×8	DIP-32	7.18, в	-
27020 — 256 К×8	TSOP-32	7.19, а	-
27020 — 256 К×8	PLCC-32	7.19, б	-

Назначение выводов микросхем EPROM приведено в табл. 7.22.

Таблица 7.22. Назначение выводов микросхем EPROM

Сигнал	Назначение
СЕ#	Chip Enable — разрешение доступа. Низкий уровень разрешает обращение
	к микросхеме, высокий уровень переводит микросхему в режим пониженного потребления
ОЕ#	Output Enable — разрешение выходных буферов. Низкий уровень при низком уровне СЕ# разрешает чтение данных из микросхемы. У некоторых типов микросхем на этот же вывод в режиме программирования подается напряжение V_PP
DQx	Data Input/Output — двунаправленные линии шины данных. Время доступа при чтении отсчитывается от установки действительного адреса или сигнала СЕ# (в зависимости от того, что происходит позднее)
Ах	Address — входные линии шины адреса. Линия А9 допускает подачу высокого (12В) напряжения для чтения кода производителя (А0 = 0) и устройства (А0 = 1), при этом на остальные адресные линии подается логический ноль
PGM#	Programm — импульс программирования (некоторые микросхемы не имеют этого сигнала, их программирование осуществляется по сигналу СЕ# при высоком уровне V_PP)
V_PP	Программирующее напряжение питания (для некоторых типов — импульс)
V_CC	Питание (+5 В)

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 V_PP в рабочем режиме (только чтение).

♦ Защита от стирания производится заклейкой окна.

EEPROM и флэш-память

Электрически стираемая (и перезаписываемая) память EEPROM, или E²PROM (Electrical Erasable PROM), отличается простотой выполнения записи. В простейшем (для пользователя) случае программирование сводится к записи байта по требуемому адресу, после чего некоторое время микросхема не способна выполнять операции чтения/записи и по другим адресам, вплоть до окончания выполнения внутренней операции программирования (со встроенным стиранием). Микросхемы могут поддерживать и режим страничной записи (Page Write), в котором они принимают поток байт записи смежных ячеек в страничный буфер на нормальной скорости интерфейса, после чего вся страница записывается в энергонезависимую память. Страничная запись экономит время (запись страницы выполняется за то же время, что и одной ячейки), но размер страничного буфера, как правило, небольшой (4-32 байт для микросхем небольшого объема и до 128–256 байт — большого). Более сложный интерфейс записи использует систему команд, в которую могут входить команды разрешения/запрета стирания и записи, стирание (отдельной ячейки или всей памяти), запись. Микросхема может иметь и специальные внутренние регистры, например регистр состояния, определяющий готовность микросхемы к обмену данными и возможные режимы защиты от модификации ячеек. Некоторые старые микросхемы для стирания требуют подачи сравнительно высокого (12 В) напряжения на определенные выводы. По процедуре программирования некоторые микросхемы EEPROM схожи с флэш-памятью. В настоящее время EEPROM применяются наряду с флэш-памятью, причем они могут соседствовать даже в одной микросхеме (например, микроконтроллере). Это объясняется очень большим гарантированным числом циклов перезаписи (10⁶ и более) EEPROM, но меньшим достижимым объемом. Также EEPROM обычно имеет и большее гарантированное время сохранности информации (до 100 лет). Флэш-память при большем объеме и более производительных способах записи и стирания допускает меньшее число циклов перезаписи, и время сохранения информации у нее меньше (может быть и всего 10 лет). Микросхемы EEPROM выпускаются с различными интерфейсами, последовательными (Serial EEPROM) с интерфейсами I²C, SPI и иными и параллельными (Parallel EEPROM) с интерфейсами статической памяти (и EPROM).

Флэш-память по определению относится к классу EEPROM (электрическое стирание), 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. Первые микросхемы флэш-памяти были предложены фирмой Intel в 1988 году и с тех пор претерпели существенные изменения по архитектуре, интерфейсу и напряжению питания.

Каждая ячейка флэш-памяти состоит всего из одного униполярного (полевого) транзистора. Ячейки организованы в матрицу; разрядность данных внешнего интерфейса — 8 или 16 бит (ряд микросхем имеет переключаемую разрядность). Чистые (стертые) ячейки содержат единицу во всех битах; при записи (программировании) нужные биты обнуляются. Возможно последующее программирование и уже записанных ячеек, но при этом можно только обнулять единичные биты, но не наоборот. В единичное состояние ячейки переводятся только при стирании. Стирание выполняется для всей матрицы ячеек; стирание одиночной ячейки невозможно. Чтение флэш-памяти ничем не отличается от чтения любой другой памяти — подается адрес ячейки, и через некоторое время доступа (десятки-сотни не) на выходе появляются данные. Запись выглядит несколько сложнее — для программирования каждого байта (слова) приходится выполнять процедуру, состоящую из операций записи и считывания, адресованных к микросхеме флэш-памяти. Однако при этом шинные циклы обращения к микросхеме являются нормальными для процессора, а не растянутыми, как для EPROM и EEPROM. Таким образом, в устройстве с флэш-памятью легко реализуется возможность перепрограммирования без извлечения микросхем из устройства. Большинство микросхем флэш-памяти имеют интерфейс, аналогичный асинхронной статической памяти (SRAM), а при чтении он упрощается до интерфейса ROM/PROM/EPROM. Существуют версии с интерфейсом динамической памяти, асинхронным и синхронным, а также и со специальными интерфейсами, в том числе и I²С. Первые микросхемы работали только при напряжении питания 5 В, а для программирования и стирания требовали дополнительное питание V_PP = +12 В. Затем появились микросхемы всего с одним напряжением питания +5 В. Дальнейшее развитие технологии позволило снизить напряжение питания до 2,7–3,3 В и 1,65-2,2 В, a V_PP — до 5, 3,3, 2,7 и даже 1,65 В. В производстве микросхем используется технологические процессы с разрешением 0,3, 0,22, 0,18 мкм (чем мельче ячейки, тем они экономичнее). Микросхемы первых выпусков (1990 г.) имели гарантированное число циклов стирания-программирования 10 000, современные — 100 000.

Флэш-память имеет время доступа при чтении 35-200 нс. Стирание информации (поблочное или во всей микросхеме) у микросхем середины 90-х годов занимает 1–2 секунды, программирование (запись) байта — порядка 10 мкс. У современных микросхем время стирания и записи заметно сократилось. Процедура записи от поколения к поколению упрощается (см. ниже). От ошибочного стирания (записи) применяются различные методы программной и аппаратной защиты. Программной защитой является ключевая последовательность команд, нарушение которой не позволяет начать операции стирания и записи. Аппаратная защита не позволяет выполнять стирание и запись, если на определенные входы не поданы требуемые уровни напряжения. Аппаратная защита может защищать как весь массив целиком, так и отдельные блоки.

По организации массива в плане стирания групп ячеек различают следующие архитектуры:

♦ Bulk Erase (BE) — все ячейки памяти образуют единый массив; запись возможна в произвольную ячейку; стирание возможно только для всего объема сразу;

♦ Boot Block (BB) — массив разделен на несколько блоков разного размера, стираемых независимо, причем один из блоков имеет дополнительные средства защиты 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 (Symmetrical Architecture, SA).

Организация BE применялась только в микросхемах первого поколения, ее недостатки вполне очевидны (получается просто аналог EEPROM с более удобным способом стирания и интерфейсом программирования). Все современные микросхемы секторированы (разбиты на отдельно стираемые блоки), так что остается лишь деление на симметричную и несимметричную архитектуру.

В симметричной архитектуре (SA), как правило, используется разбиение на блоки по 64 Кбайт; один из крайних блоков (с самым большим или самым маленьким адресом) может иметь дополнительные средства защиты.

В асимметричной архитектуре один из 64-килобайтных блоков разбивается на 8 блоков по 8 Кбайт. Один из блоков имеет дополнительные аппаратные средства защиты от модификации и предназначается для хранения жизненно важных данных, не изменяемых при запланированных модификациях остальных областей. Эти микросхемы специально предназначены для хранения системного программного обеспечения (BIOS), а привилегированный 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 (Тор) или В (Bottom), определяющий положение Boot-блока либо в старших, либо в младших адресах соответственно. Первые предназначены для процессоров, стартующих со старших адресов (в том числе, х86, Pentium), вторые — для стартующих с нулевого адреса, хотя возможны и противоположные варианты, когда некоторые биты шины адреса перед подачей на микросхему памяти инвертируются. Старые микросхемы BB малого объема имели немного другое распределение, например микросхема 28F001ВХ-Т (28F001BN-Т), часто применяемая для флэш-BIOS в PC, содержит:

♦ основной блок (Main Block) объемом 112 Кбайт (00000h-1BFFFh);

♦ два блока параметров (Parameter Block) объемом по 4 Кбайт (1C000h-1CFFFh и 1D000h-1DFFFh);

♦ загрузочный блок (Boot Block) объемом 8 Кбайт (1E000h-1FFFFh), стирание и программирование которого возможны лишь при особых условиях.

Основной блок и блоки параметров по защите равноправны; выделение небольших блоков параметров позволяет в них хранить часто сменяемую информацию, например ESCD технологии PnP.

Выпускают и комбинированные микросхемы, например MT28C3214P2FL представляет собой комбинацию флэш-памяти 2 М×16 и SRAM 256 К×16.

По организации матрицы ячеек различают архитектуры NOR и NAND. В традиционной организации NOR транзисторы на одном проводе объединяются своими стоками параллельно, как бы образуя логический элемент ИЛИ-НЕ (NOR — Not OR). Эта организация обеспечивает высокое быстродействие произвольного считывания, что позволяет исполнять программы прямо из флэш-памяти (не копируя в ОЗУ) без потери производительности. В организации NAND несколько транзисторов разных ячеек соединяются последовательно, образуя логический элемент И-НЕ (NAND — Not AND), что дает высокую скорость последовательных обращений.

В первых микросхемах флэш-памяти каждая ячейка (всего один транзистор) предназначалась для хранения одного бита информации (1 — стерта, 0 — «прошита»). Позже появилась технология хранения двух битов в одной ячейке — благодаря совершенствованию технологии удалось надежно различать 4 состояния ячейки, что и требуется для хранения двух битов. Два бита в ячейке хранит память Intel StrataFlash, емкость одной такой микросхемы уже достигла 128 Мбит (16 Мбайт).

Флэш-память постоянно развивается как в плане повышения емкости и снижения потребления, так и в плане расширения возможностей и повышения производительности. Так, например, в ряде микросхем AMD имеется возможность чтения одновременно с записью других блоков (чтение во время стирания стало возможным еще со второго поколения флэш-памяти).

Некоторые микросхемы обеспечивают быстрый обмен в страничном режиме (Page Mode). Страницей являются 4 или 8 смежных ячеек; первое чтение в странице выполняется со временем доступа 70 нс. Если микросхема остается выбранной, то другие ячейки этой страницы (отличающиеся значением младших битов адреса) можно считывать циклами длительностью по 20 нс. Доступ к одиночным ячейкам не отличается от обычного. Микросхемы с пакетным режимом (Burst Mode) вдобавок к одиночному и страничному режимам (асинхронным) могут работать и в синхронном режиме. Для этого они имеют вход синхронизации CLK. Адрес начала пакета передается вместе с сигналом ADV# (фиксируются по положительному перепаду CLK). Первые данные на выходе появятся через 3 такта, после чего в каждом следующем такте будут выдаваться очередные данные.

Синхронная флэш-память имеет интерфейс (и даже упаковку в корпуса), совпадающий с SDRAM. В настоящее время выпускаются микросхемы с частотой 66 МГц (например, MT28S4M16LC — 1 М×16×4 банка), ожидаются микросхемы и на 133 МГц. Такая память удобна для встраиваемых компьютеров для хранения ПО, исполняемого прямо на месте (без копирования в ОЗУ).

Микросхемы флэш-памяти с симметричной архитектурой выпускаются и с интерфейсом DRAM (динамической памяти) — с мультиплексированной шиной памяти, стробируемой сигналами RAS# и CAS#. Они предназначены для применения в модулях SIMM или DIMM, устанавливаемых в гнезда для обычной динамической памяти. Таким образом реализуются, например, модули PostScript для лазерных принтеров и любые резидентные программные модули. Эти модули, естественно, не будут определяться системой как основная память — на попытку обычной записи и считывания, предпринимаемую в тесте POST при определении установленной памяти, они ответят весьма своеобразно. Также они не будут восприниматься и как модули дополнительной системы BIOS, поскольку займут неподходящие для этого физические адреса. Использоваться эти модули смогут только с помощью специального драйвера, который «объяснит» чипсету, какому диапазону адресов пространства памяти соответствуют сигналы выборки банков флэш-памяти. Поскольку интерфейс модулей SIMM и DIMM не предполагает сигналов защиты записи, системного сброса и дополнительного питания +12 В, все вопросы, связанные с программированием и защитой, решаются дополнительными элементами, устанавливаемыми на модулях. При использовании 16-битных микросхем такие модули непосредственно не обеспечивают независимую побайтную запись, но она может обеспечиваться программно, маскированием (записью 0FFh) немодифицируемых байт.

Для хранения BIOS появились микросхемы флэш-памяти с интерфейсом LPC, называемые хабами (firmware hub).

Для некоторых сфер применения требуются специальные меры по блокированию изменения информации пользователем. Так, Intel в некоторые микросхемы вводит однократно записываемые регистры OTP (One-Time-Programmable). Один 64-битный регистр содержит уникальный заводской номер, другой может программироваться пользователем (изготовителем устройства) только однажды.

Фирма Intel выпускает микросхемы «Wireless Flash Memory» — за интригующим названием скрывается, конечно же, «нормальный» электрический интерфейс с проводами (wireless — без проводов). Однако они ориентированы на применение в средствах беспроводной связи (сотовые телефоны с доступом к Интернету): питание 1,85 В, наличие регистров OTP для защиты от мошенничества и т.п.

Постоянная и полупостоянная память — ROM, PROM, eprom