Флэш-память

Флэш-память (Flash-Меmorу) по типу запоминающих элементов и основ­ным принципам работы подобна памяти типа Е²РROМ однако ряд архитек­турных и структурных особенностей позволяют выделить ее в отдельный класс. Разработка Флэш-памяти считается кульминацией десятилетнего раз­вития схемотехники памяти с электрическим стиранием информации.

В схемах Флэш-памяти не предусмотрено стирание отдельных слов, стирание информации осуществляется либо для всей памяти одновременно, либо для достаточно больших блоков. Понятно, что это позволяет упростить схемы ЗУ, т. е. способствует достижению высокого уровня интеграции и быстродействия при снижении стоимости. Технологически схемы Флэш-памяти выполняются с высоким качеством и обладают очень хорошими параметрами.

Термин Flash по одной из версий связан с характерной особенностью этого вида памяти — возможностью одновременного стирания всего ее объема Согласно этой версии ещё до появления Флэш-памяти при хранении сек­ретных данных использовались устройства, которые при попытках несанк­ционированного доступа к ним автоматически стирали хранимую информа­цию и назывались устройствами типа Flash

(вспышка, мгновение). Это на­звание перешло и к памяти, обладавшей свойством быстрого стирания всего массива данных одним сигналом.

Одновременное стирание всей информации ЗУ реализуется наиболее про­сто, но имеет тот недостаток, что даже замена одного слова в ЗУ требует стирания и новой записи для всего ЗУ в целом. Для многих применений это неудобно. Поэтому наряду со схемами с одновременным стиранием всего содержимого имеются схемы с блочной структурой, в которых весь массив памяти делится на блоки, стираемые независимо друг от друга. Объем таких блоков сильно разнится: от 256 байт до 128 Кбайт.

Для первого направления в связи с редким обновлением содержимого пара­метры циклов стирания и записи не столь существенны как информацион­ная емкость и скорость считывания информации. Стирание в этих схемах может быть как одновременным для всей памяти, так и блочным. Среди устройств с блочным стиранием выделяют схемы со специализированными блоками (несимметричные блочные структуры). По имени так называемых Вооt-блоков, в которых информация надежно защищена аппаратными сред­ствами от случайного стирания, эти ЗУ называют Вооt Blосk Flash Метоrу. Вооt блоки хранят программы инициализации системы, позволяющие вве­сти ее в рабочее состояние после включения питания.

Микросхемы для замены жестких магнитных дисков (Flash-File Метоrу) со­держат более развитые средства перезаписи информации и имеют идентич­ные блоки (симметричные блочные структуры).

Одним из элементов структуры Флэш-памяти является накопитель (матрица запоминающих элементов). В схемотехнике накопителей развиваются два направления: на основе ячеек типа ИЛИ-НЕ (N011) и на основе ячеек типа И-НЕ (№N0).

Рисунок 4.8 – Структура матрицы накопителя Флэш-памяти на основе ячеек ИЛИ-НЕ

Накопители на основе ячеек ИЛИ-НЕ (с параллельным включением ЛИЗ-МОП-транзисторов с двойным затвором) обеспечивают быстрый доступ к словам при произвольной выборке. Они приемлемы для разных примене­ний, но наиболее бесспорным считается их применение в памяти для хра­нении редко обновляемых данных. При этом возникает полезная преемст­венность с применявшимися ранее КОМ и ЕРКОМ, сохраняются типичные сигналы управления, обеспечивающие чтение с произвольной выборкой. Структура матрицы накопителя показана на рисунке 4.8. Каждый столбец представляет собою совокупность параллельно соединенных транзисторов Разрядные линии выборки находятся под высоким потенциалом. Все тран­зисторы невыбранных строк заперты. В выбранной строке открываются и передают высокий уровень напряжения на разрядные линии считывания те транзисторы, в плавающих затворах которых отсутствует заряд электронов. и, следовательно, пороговое напряжение транзистора имеет нормальное (не повышенное) значение.

Накопители на основе ячеек ИЛИ-НЕ широко используются фирмой Intel. Имеются мнения о конкурентоспособности этих накопителей и в примене­ниях, связанных с заменой жестких магнитных дисков Флэш-памятью.

Структуры с ячейками И-НЕ более компактны, но не обеспечивают режима произвольного доступа и практически используются только в схемах замены магнитных дисков. В схемах на этих ячейках сам накопитель компактнее, но увеличивается количество логических элементов обрамления накопителя.

Для улучшения технико-экономических характеристик в схемах Флэш-памяти применяются различные средства и приемы:

1. Прерывание процессов записи при обращениях процессора для чтения (Еrase Suspend). Без этого возникали бы длительные простои процессора. т. к. запись занимает достаточно большое время. После прерывания про­цесс записи возобновляется под управлением внутренних средств Флэш-памяти.

2. Внутренняя очередь команд, управляющих работой Флэш-памяти, кото­рая позволяет организовать конвейеризацию выполняемых операций и ускорить процессы чтения и записи

3. Программирование длины хранимых в ЗУ слов для согласования с раз­личными портами ввода/вывода.

4. Введение режимов пониженной мощности на время, когда к ЗУ нет об­ращений, в том числе режима глубокого покоя, в котором мощность снижается до крайне малых значений (например, ток потребления сни­жается до 2 мкА). Эти особенности очень важны для устройств с авто­номным (батарейным) питанием.

5. Приспособленность к работе при различных питающих напряжениях (5 В; 3,3 В и др.). Сама схема "чувствует" уровень питания и производит необходимые переключения для приспособления к нему.

6. Введение в структуры памяти страничных буферов для быстрого накоп­ления новых данных, подлежащих записи. Два таких буфера могут рабо­тать в режиме, называемом "пинг-понг", когда один из них принимает слова, подлежащие записи, а другой в это время обеспечивает запись своего содержимого в память. Когда первый буфер заполнится, второй уже освободится, и они поменяются местами.

7. Различные меры защиты от случайного или несанкционированного доступа.

Флэш-память с адресным доступом, ориентированная на хранение не слиш­ком часто изменяемой информации, может иметь одновременное стирание всей информации (архитектура Вulk Еrаsе) или блочное стирание (архитектура Вооt Blосk Flash Метоrу).

Имея преемственность с ЗУ типов Е²РRОМ и ЕРRОМ, разработанными ра­нее, схемы Флэш-памяти предпочтительнее Е²РRОМ по информационной емкости и стоимости в применениях, гяе не требуется индивидуальное сти­рание слов, а в сравнении с ЕРRОМ обладают тем преимуществом, что не требуют специальных условий и аппаратуры для стирания данных, которое к тому же происходит гораздо быстрее.