Флэш-память - особый вид энергонезависимой перезаписываемой полупроводниковой памяти.
Энергонезависимая - не требующая дополнительной энергии для хранения данных (энергия требуется только для записи).
Перезаписываемая - допускающая изменение (перезапись) хранимых в ней данных.
Полупроводниковая (твердотельная) - не содержащая механически движущихся частей (как обычные жёсткие диски или CD), построенная на основе интегральных микросхем (IC-Chip).
В отличие от многих других типов полупроводниковой памяти, ячейка флэш-памяти не содержит конденсаторов – типичная ячейка флэш-памяти состоит всего-навсего из одного транзистора особой архитектуры. Ячейка флэш-памяти прекрасно масштабируется, что достигается не только благодаря успехам в миниатюризации размеров транзисторов, но и благодаря конструктивным находкам, позволяющим в одной ячейке флэш-памяти хранить несколько бит информации.
Флэш-память исторически происходит от ROM (Read Only Memory) памяти, и функционирует подобно RAM (Random Access Memory). Данные флэш хранит в ячейках памяти, похожих на ячейки в DRAM. В отличие от DRAM, при отключении питания данные из флэш-памяти не пропадают.
Замены памяти SRAM и DRAM флэш-памятью не происходит из-за двух особенностей флэш-памяти: флэш работает существенно медленнее и имеет ограничение по количеству циклов перезаписи (от 10.000 до 1.000.000 для разных типов).
ROM (Read Only Memory) - память только для чтения. Русский эквивалент - ПЗУ (Постоянно Запоминающее Устройство). Если быть совсем точным, данный вид памяти называется Mask-ROM (Масочные ПЗУ). Данные на ROM записывались во время производства путём нанесения по маске (отсюда и название) алюминиевых соединительных дорожек литографическим способом. Наличие или отсутствие в соответствующем месте такой дорожки кодировало "0" или "1". Mask-ROM отличается сложностью модификации содержимого (только путем изготовления новых микросхем), а также длительностью производственного цикла (4-8 недель). Поэтому, а также в связи с тем, что современное программное обеспечение зачастую имеет много недоработок и часто требует обновления, данный тип памяти не получил широкого распространения.
Преимущества:
1. Низкая стоимость готовой запрограммированной микросхемы (при больших объёмах производства).
2. Высокая скорость доступа к ячейке памяти.
3. Высокая надёжность готовой микросхемы и устойчивость к электромагнитным полям.
Недостатки:
1. Невозможность записывать и модифицировать данные после изготовления.
2. Сложный производственный цикл.
PROM
PROM - (Programmable ROM), или однократно Программируемые ПЗУ. В качестве ячеек памяти в данном типе памяти использовались плавкие перемычки. В отличие от Mask-ROM, в PROM появилась возможность кодировать ("пережигать") ячейки при наличии специального устройства для записи (программатора). Программирование ячейки в PROM осуществляется разрушением ("прожигом") плавкой перемычки путём подачи тока высокого напряжения. Возможность самостоятельной записи информации в них сделало их пригодными для штучного и мелкосерийного производства. PROM практически полностью вышел из употребления в конце 80-х годов.
Преимущества:
1. Высокая надёжность готовой микросхемы и устойчивость к электромагнитным полям.
2. Возможность программировать готовую микросхему, что удобно для штучного и мелкосерийного производства.
3. Высокая скорость доступа к ячейке памяти.
Недостатки:
1. Невозможность перезаписи
2. Большой процент брака
3. Необходимость специальной длительной термической тренировки, без которой надежность хранения данных была невысокой
EPROM
Различные источники по-разному расшифровывают аббревиатуру EPROM - как Erasable Programmable ROM или как Electrically Programmable ROM (стираемые программируемые ПЗУ или электрически программируемые ПЗУ). В EPROM перед записью необходимо произвести стирание (соответственно появилась возможность перезаписывать содержимое памяти). Стирание ячеек EPROM выполняется сразу для всей микросхемы посредством облучения чипа ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами в течение нескольких минут. Микросхемы, стирание которых производится путем засвечивания ультрафиолетом, были разработаны Intel в 1971 году, и носят название UV-EPROM (приставка UV (Ultraviolet) - ультрафиолет). Они содержат окошки из кварцевого стекла, которые по окончании процесса стирания заклеивают.
В EPROM стирание приводит все биты стираемой области в одно состояние (обычно во все единицы, реже - во все нули). Запись на EPROM, как и в PROM, также осуществляется на программаторах (однако отличающихся от программаторов для PROM). В настоящее время EPROM практически полностью вытеснена с рынка EEPROM и Flash.
Достоинство: Возможность перезаписывать содержимое микросхемы
Недостатки:
1. Небольшое количество циклов перезаписи.
2. Невозможность модификации части хранимых данных.
3. Высокая вероятность "недотереть" (что в конечном итоге приведет к сбоям) или передержать микросхему под УФ-светом (т.н. overerase - эффект избыточного удаления, "пережигание"), что может уменьшить срок службы микросхемы и даже привести к её полной негодности.
EEPROM (E?PROM или Electronically EPROM) - электрически стираемые ППЗУ. Главной отличительной особенностью EEPROM (в т.ч. Flash) от ранее рассмотренных нами типов энергонезависимой памяти является возможность перепрограммирования при подключении к стандартной системной шине микропроцессорного устройства. В EEPROM появилась возможность производить стирание отдельной ячейки при помощи электрического тока. Для EEPROM стирание каждой ячейки выполняется автоматически при записи в нее новой информации, т.е. можно изменить данные в любой ячейке, не затрагивая остальные. Процедура стирания обычно существенно длительнее процедуры записи.
Преимущества EEPROM по сравнению с EPROM:
1. Увеличенный ресурс работы.
2. Проще в обращении.
Недостаток: Высокая стоимость
Flash (полное историческое название Flash Erase EEPROM)
Flash (полное историческое название Flash Erase EEPROM):
Изобретение флэш-памяти зачастую незаслуженно приписывают Intel, называя при этом 1988 год. На самом деле память впервые была разработана компанией Toshiba в 1984 году, и уже на следующий год было начато производство 256Кбит микросхем flash-памяти в промышленных масштабах. В 1988 году Intel разработала собственный вариант флэш-памяти.
Во флэш-памяти используется несколько отличный от EEPROM тип ячейки-транзистора. Технологически флэш-память родственна как EPROM, так и EEPROM. Основное отличие флэш-памяти от EEPROM заключается в том, что стирание содержимого ячеек выполняется либо для всей микросхемы, либо для определённого блока (кластера, кадра или страницы). Обычный размер такого блока составляет 256 или 512 байт, однако в некоторых видах флэш-памяти объём блока может достигать 256КБ. Следует заметить, что существуют микросхемы, позволяющие работать с блоками разных размеров (для оптимизации быстродействия). Стирать можно как блок, так и содержимое всей микросхемы сразу. Таким образом, в общем случае, для того, чтобы изменить один байт, сначала в буфер считывается весь блок, где содержится подлежащий изменению байт, стирается содержимое блока, изменяется значение байта в буфере, после чего производится запись измененного в буфере блока. Такая схема существенно снижает скорость записи небольших объёмов данных в произвольные области памяти, однако значительно увеличивает быстродействие при последовательной записи данных большими порциями.
Новейшие технологии энергонезависимой памяти уже вторглись в области применения, где много лет доминируют Flash, SRAM и DRAM. Предлагаем проанализировать, какая из них имеет наибольшие шансы успешно конкурировать с массовыми типами памяти и вытеснить их со временем.
Нет необходимости доказывать, что неспособность сохранять информацию после выключения питания сделала бы практически бесполезными миллиарды электронных приборов, будь то компьютер, сотовый телефон, автомобильный электронный прибор, любой промышленный контроллер - их функциональность определяется содержимым энергонезависимой памяти. Подавляющее число электронных приборов сегодня используют в качестве энергонезависимой памяти Flash. В компьютере она управляет загрузкой и обеспечивает взаимодействие большинства узлов. В сотовом телефоне Flash-память хранит программы, настройки, телефонную книжку...
Наряду с энергонезависимостью, главным свойством Flash-памяти является программируе-мость - способность к многократному изменению хранимой информации. Операция записи в Flash-память сравнительно сложна, количество циклов модификации данных не превышает 1 миллион, а для большинства компонентов Flash это десятки или сотни тысяч циклов. Может показаться, что это большое число, однако, его достаточно лишь для устройств со сравнительно редким изменением данных - несколько раз в день - как, например, в мобильных телефонах или переносных накопителях данных. Использование Flash-памяти, например, в качестве основной памяти компьютера привело бы ее в негодность максимум за неделю. Да и по скорости записи Flash-память слишком медленна для оперативных данных.
Текущее состояние
Появление и развитие технологии Flash на рубеже 90-х годов вытеснило доминирующие тогда PROM, UF-EPROM, EPROM. А сейчас технология Flash, по оценкам многих специалистов, подходит к пределу физических возможностей. Ее развитие происходит в основном в области усовершенствования структуры ячейки и революции не предвидится. По некоторым оценкам, к 2008-2010 году работы по развитию остановятся, и объем производства Flash-памяти станет падать. Главной причиной этого станет распространение новейших технологий, отличных от Flash и предлагающих, наряду с энергонезависимостью, алгоритм и скорость работы RAM. В последние годы Flash испытывает ощутимый натиск с их стороны.
Вторым наиболее массовым типом памяти является DRAM (Dynamic Random Access Memory). Объем производства Flash и DRAM составляет примерно 15% всего рынка полупроводников. В денежном выражении в 2003 году это составило около $25 млрд (по данным International Data Corp. на ноябрь 2003 года). Технология, которая реально сможет вытеснить Flash и предоставит быстродействие DRAM, принесет большие дивиденды своим владельцам. Поэтому усилия в развитие новых технологий энергонезависимой памяти вкладываются немалые.
Физические принципы, на которых они основываются, существенно отличаются как от тех, что используются в технологии Flash, так и между собой. Ферроэлектрическая память (FRAM - Ferroelectric Random Access Memory) хранит информацию в электрически поляризованном материале. Магниторе-зистивная память (MRAM - Magnetoresistive Random Access Memory) - в магнитных диполях. Память OUM (Ovonic Unified Memory, названа по имени компании-разработчика Ovonix Inc.) в аморфном или кристаллическом состояниях халь-когенидного сплава. Свойства каждой из новых технологий теоретически позволяют использовать память на их основе вместо Flash, DRAM и SRAM одновременно. Именно эти технологии являются наиболее вероятными и перспективными преемниками наиболее распространенных типов запоминающих устройств в ближайшее десятилетие.
Они превосходят Flash по двум основным критериям. Во-первых, алгоритм обращения к памяти и в циклах чтения, и в циклах записи столь же простой и быстрый, как и в стандартной SRAM. А во-вторых, ресурс количества циклов модификации данных хотя и не бесконечен, как у статической или динамической памяти, но достаточен для работы в течение многих лет.
Сегодня еще нельзя сделать однозначный вывод о том, какая технология победит и станет «главным» типом памяти. На основе опубликованной информации мы можем лишь сравнить преимущества и недостатки технологий, сделать предварительную оценку перспективности компонентов на их основе. Претенденты находятся на разных стадиях. Впереди сегодня находится FRAM - компоненты по этой технологии производятся уже более десяти лет. MRAM должна появиться на рынке в этом году. Временные рамки реального появления памяти OUM оценить пока трудно. Компания Ovonix, разработчик технологии, уже несколько раз демонстрировала прототипы запоминающих устройств совместно со стратегическими партнерами Intel, BAE Systems (бывший Lockheed Martin) и STMicroelectronics. Но эффективно проводит внедрение в производство пока только BAE Systems и обещает предоставить образцы предсерийных продуктов в середине 2005 года.
Как работает энергонезависимая память
Flash, она же электрически стираемая и программируемая память только для чтения.
Физическую основу технологии Flash составляет «плавающий» затвор МОП-транзистора, находящийся между управляющим затвором и каналом сток-исток (см. рис. 1). Если в плавающем затворе нет свободных электронов, то напряжение, приложенное к управляющему затвору, откроет канал транзистора, что интерпретируется как логическая «1». Когда в плавающем затворе много свободных электронов, приложенное к управляющему затвору напряжение не способно открыть канал, транзистор остается выключенным, и считывается логический «0». Плавающий затвор изолирован с двух сторон: слоем оксида от управляющего затвора и слоем «туннелированного» оксида от канала сток-исток. Окислы предотвращают диффузию электронов из плавающего затвора, тем самым обеспечивая сохранность данных в ячейке при энергонезависимом хранении в течение длительного времени.
Операция чтения ячейки Flash-памяти проста - проверяется, открывается ли транзистор напряжением, приложенным к управляющему затвору. Запись значительно сложнее и проводится в два этапа.
Во-первых, проводится поблочное «стирание» информации - плавающий затвор разряжают высоким обратным напряжением. Электроны, возможно находящиеся в затворе, удаляются в область истока. Стирание производится сразу над целым блоком, в котором могут быть тысячи ячеек.
На втором этапе, также с помощью высокого напряжения, электроны эмитируются (или нет - если записывается «1») из канала через слой окисла в плавающий затвор. Этот процесс называют инжекцией «горячих носителей».
Электроны, проходящие через слой тунне-лированного оксида, разрушают его с каждой операцией стирания-записи. Постепенно туннелированный оксид превращается в диэлектрик с очень низкой проницаемостью, и запись «0» становится невозможной. Выносливости современных материалов, применяемых для создания надканального окисла, хватает не более чем на 1 миллион циклов. MRAM. Магниторезистивная память.
Ячейка Flash-памяти представляет собой модифицированный МОП-транзистор. Модификация заключается в том, что между управляющим затвором и каналом помещен дополнительный, «плавающий» затвор и слой туннельного окисла под ним.При записи электроны, под действием высокого напряжения (обычно 12 В), инжектируются через туннельный оксид в область плавающего затвора и захватываются им. При стирании, также под действием высокого напряжения, но обратной полярности, электроны удаляются из плавающего затвора обратно тем же путем. При чтении на линию слова подается управляющий потенциал и проверяется наличие тока через сток в битовую линию. Если в плавающем затворе есть захваченные электроны, потенциал управляющего затвора (линии слова) экранируется ими, транзистор остается закрытым, и регистрируется логический «0». Если плавающий затвор свободен от электронов, транзистор открывается и на битовой линии регистрируется логическая «1»
Магниторезистивная память с произвольным доступом (MRAM) использует ферромагнетизм для хранения данных. Каждый атом ферромагнитного материала представляет собой микромагнит. Магнитомягкий ферромагнетик может менять вектор намагниченности под действием внешнего магнитного поля и сохранять его очень долго. Постоянный ферромагнетик сохраняет вектор магнитного поля вне зависимости от внешних полей. В ячейке MRAM ферромагнитные слои разделены магниторезистивным материалом, имеющим разное электрическое сопротивление при совпадающих или разнонаправленных векторах полей ферромагнетиков. При чтении измеряется сопротивление туннельного перехода. Если векторы полей ферромагнитных доменов параллельны, то сопротивление не велико и это интерпретируется как двоичная «1». Когда векторы антипараллельны, сопротивление перехода увеличивается на 40-50%, и это обозначает «0». Для записи в ячейку необходимо намагнитить магнитомягкий слой внешним магнитным полем. Для этого по битовой линии пропускают ток. Направление намагниченности задается направлением тока
Принцип работы MRAM базируется на различной проводимости магниторезис-тивного материала, помещенного между ферромагнетиками с одинаковой или разной ориентацией магнитных моментов (см. рис. 2). Если направления магнитных полей слоев ферромагнетика совпадают, то сопротивление магниторезистивного материала невелико, что интерпретируется как логическая «1». При противоположных магнитных моментах его сопротивление существенно больше, и это обозначает логический «0». Ячейка
MRAM заключена между перекрещивающимися проводниками словных и битовых линий и похожа на сэндвич: состоит из жесткого и мягкого ферромагнетиков, разделенных магниторезистивным материалом.
При записи по битовому проводнику пропускают постоянный ток, магнитное поле которого намагничивает мягкий ферромагнетик. Его результирующий магнитный момент зависит от направления пропускаемого тока. Чтобы компенсировать влияние поля нижнего жесткого ферромагнетика на мягкий при записи, по словному проводнику также пропускают постоянный ток, магнитное поле которого противоположно полю постоянного ферромагнетика.
При чтении на словную линию подают напряжение считывания и сравнивают с образцовым источником ток, проходящий через каждую ячейку на битовой линии.
Универсальная память от Ovonix (OUM) основанана уникальном свойстве халькогенидныхсплавов - принимать два устойчивых состояния -аморфное или поликристаллическое -в зависимости от условий нагревания.Нагрев сплава до 600°С приводит его в аморфноесостояние. Если же сплав выдержать несколькодольше при более низкой температуре,он примет поликристаллическую фазу.В аморфном и поликристаллическом состояниисплав имеет существенно различающеесяэлектрическое сопротивление.Величина сопротивления используетсядля регистрации «0» или «1» при чтении
Рис. 4. FRAM хранит информацию в поляризованных ферроэлектриках.
Работа ферроэлектрической памятис произвольным доступом (FRAM) основанана способности ферроэлектрическихконденсаторов сохранять заряд очень долго -более 10 лет без потребности в регенерации.В остальном FRAM работает почти так же,как динамическая память (DRAM). Полярностьзаряда конденсатора интерпретируетсякак двоичная информация - «0» или «1».При чтении напряжение считыванияприкладывается между словной и битовойлиниями, затем на шину питания ячеек подаетсякороткий импульс. Если полярность зарядаконденсатора совпадает с полярностьюнапряжения, приложенного между линиями словаи бита, то на битовую линию проходит импульстока очень небольшой величины, обозначающийлогический «0». Если полярности противоположны,импульс тока существенно больше,что интерпретируется как логическая «1»
OUM. Универсальная память от Ovonix.
В основе OUM лежит изменение при нагреве фазового состояния халькогенидного сплава (сплав германия, селена и теллура). При нагреве до 600 °С в течение нескольких десятков наносекунд халькогенид приобретает аморфное высокоомное состояние (около 100 кОм). Если же его выдержать при более низкой температуре в течение многих десятков наносекунд, материал кристаллизуется и приобретает сопротивление порядка 1 кОм.
Управляемое фазовое состояние халькоге-нидов уже много лет используется в CD-R/W, DVD-RAM и DVD-R/W. И теперь пришла очередь внедрения в интегральные устройства. В компакт-дисках нагрев сплава производит луч лазера. Для интегральной схемы этот способ неприменим. Ячейка OUM (см. рис. 3) построена из кристаллического халькогенида с низким омическим сопротивлением и соединенного с ним резистивного нагревателя. При записи по цепи «резистор - кристалл» пропускают импульсный ток около 1 мА. В точке соединения под воздействием температуры образуется область с зависимым от силы тока и длительности импульса фазовым состоянием. В процессе чтения, так же как в MRAM, сравнивается сопротивление цепи «резистор - кристаллический халькогенид» относительно образца.
FRAM. Память на ферроэлектрических конденсаторах.
Архитектурно ячейка FRAM построена так же, как в динамической памяти, - это пара «транзистор - конденсатор» (см. рис. 4). Но в качестве диэлектрика конденсатора в ячейке FRAM используется ферроэлектри-ческий материал. Когда к обкладкам конденсатора приложено постоянное напряжение, ферроэлектрик поляризуется очень быстро (около 1 наносекунды) и, после снятия напряжения, сохраняет поляризацию очень долго.
Полярность заряда конденсатора определяет логические «0» или «1». При чтении ко всем ячейкам байта (слова) прикладывается напряжение одинаковой полярности, и измеряется ток. Наличие или отсутствие тока при чтении интерпретируется как двоичная информация. Чтение FRAM-ячейки разрушает данные, поэтому после идентификации значения автоматически включается цикл регенерации для ячеек, энергия на реполяризацию которых затрачивалась. Механизм регенерации полностью скрыт. Контроллеру, обращающемуся к памяти, достаточно выполнять алгоритм, аналогичный обращению к SRAM, и выдерживать временные диаграммы, специфицированные в описании FRAM-компонента. Крайне малые значения тока утечки и емкости конденсаторов делают FRAM самой экономичной технологией по энергопотреблению.
Чем они отличаются. Преимущества и недостатки
Все три представленные новые технологии обеспечивают реальное (без необходимости в резервном питании) длительное энергонезависимое хранение данных и простоту алгоритма обращения. С этой стороны они очень похожи. Но существенно различаются в производственном процессе и в некоторых особенностях эксплуатации.
Читателю, скорее всего, в большей степени интересны эксплуатационные и коммерческие свойства компонентов. Эти сведения сегодня доподлинно известны только о FRAM, доступной для широкого применения уже более десяти лет. MRAM и OUM пока еще нельзя достоверно оценить - даже компоненты MRAM, которые должны стать доступными в ближайшее время, мы вынуждены оценивать пока лишь теоретически. Но что ожидать от новой технологии мы можем предположить, зная профиль производителей, которые берутся за ее воплощение в доступные для применения компоненты. Например, Texas Instruments и Fujitsu, отдавшие предпочтение технологии FRAM, производят компоненты для очень многих областей применения, а концерн BAE Systems (ранее Lockheed Martin), внедряющий OUM, ориентирован на специальную технику для военного и космического применения. Соответственно стоимость и доступность памяти OUM в России будет существенно отличаться от широко доступной уже сейчас FRAM.
Процесс создания интегральных компонентов состоит из множества последовательных этапов. На каждом этапе с помощью масок формируются полупроводниковые, изолирующие или проводящие слои. Для современных сложных интегральных компонентов типовое количество этапов достигает 20-26 и более, их количество усложняет и удорожает производство.
Аналитики Texas Instruments изучили каждую из новых технологий, но выбор остановили на ферроэлектрической памяти. FRAM заинтересовала Texas Instruments для встраиваемых приложений, например, как внутренняя память программ контроллеров и сигнальных процессоров. Создание массива памяти FRAM на кристалле будущего контроллера или сигнального процессора требует всего две дополнительные маски, в то время как MRAM - четыре (см. табл. 1). Кроме того, к моменту принятия решения о выборе FRAM Ramtron и Fujitsu уже поставили около 100 миллионов компонентов FRAM емкостью до 256 кбит, отладили технологию производства и устранили множество проблем, стоявших на первых этапах существования FRAM. «Все, что мы хотели бы добавить, так это увеличить плотность» - так охарактеризовал решение в пользу FRAM вице-президент Texas Instruments по исследованиям и разработкам Дэнис Басс (Dennis Buss). И успешно воплотили в жизнь свое пожелание: совместно с Ramtron создали в ноябре 2002 года прототип FRAM емкостью 64 Мбит.
Сегодня Texas Instruments в качестве встроенной памяти использует Flash, требующую в производственном процессе от 6 до 8 дополнительных масок. Создание процессоров со встроенным массивом Flash-памяти в едином производственном цикле приводит к уменьшению процента выхода годных и повышению стоимости производства. Поэтому в производстве контроллеров и процессоров Texas Instruments применяет готовые кристаллы Flash-памяти, устанавливаемые поверх кристалла контроллера или процессора. Применение технологии FRAM, по расчетам специалистов Texas Instruments, позволит создавать процессоры и контроллеры со встроенным массивом универсальной памяти в едином производственном цикле. Компоненты Texas Instruments со встроенным массивом FRAM появятся в 2005 году.
1 - 1 Мб = 1024 x 1024 бит; 2 - в единицах, кратных площади типового соединения, проецированного на нижний уровень металлизации кристалла
Fujitsu, также имеющая лицензию Ramtron на использование технологии FRAM для производства встраиваемой памяти, уже несколько лет поставляет контроллеры смарт-карт со встроенным массивом FRAM. Fujitsu является главным партнером Ramtron в производстве памяти как функционально законченных компонентов. Современное оборудование и система менеджмента качества мирового уровня на заводах Fujitsu позволяют Ramtron снизить издержки и поставлять высоконадежную память нового поколения, доступную для широкого применения.
OUM, так же как MRAM, требует для создания массива памяти больше двух масок - три или четыре. Но не это главная проблема. Среди главных проблем, препятствующих широкому внедрению халькогенидных микросхем, специалисты называют перегрев ячеек при высокой частоте циклов перезаписи, взаимное влияние ячеек и высокую токсичность используемых материалов. Вероятно, поэтому наибольшего успеха во внедрении OUM пока достигла только BAE Systems, обещающая к середине 2005 года выпустить пилотные партии компонентов для «нечеловеческих» условий - разработанные с применением технологии RAD750, микросхемы памяти будут выдерживать суммарное ионизирующее излучение до миллиона рад (Si) и предназначены для использования в космических условиях.
Выбор BAE Systems в пользу OUM был сделан еще и потому, что, во-первых, эта технология основана не на зарядовом способе хранения информации, чувствительном к ионизирующим воздействиям, а на активном сопротивлении. А во-вторых, она предоставляет существенную дифференциацию физических параметров, интерпретируемых как двоичная информация - сопротивление ячейки, хранящей «0» или «1», различается в 100 раз. Двоичные данные в технологии FRAM также существенно дифференцированы - ток, регистрируемый при чтении «0» и «1», различается на два-три порядка. Большее различие облегчает идентификацию данных чувствительными пороговыми элементами. Устойчивость FRAM к ионизирующим излучениям выше, чем у Flash, так как хранение информации основано не на свободных носителях заряда, но задача достичь такой радиационной стойкости, как OUM, пока не ставилась.
Успехи технологии MRAM позволили достигнуть только 40-50% различия в сопротивлении ячейки, хранящей «0» или «1». Кроме того, ячейка MRAM в большей степени подвержена влиянию внешнего магнитного поля, чем FRAM - влиянию электрического. Поэтому в конструкцию микросхемы MRAM необходимо вводить магнитный экран (технология, применяемая Motorola и Cypress). Выпускаемые сейчас компоненты FRAM испытыва-ются на устойчивость к статическому разряду 4000 В по стандарту JEDEC A114-B (ESD, Human body model) и 300 В по стандарту JEDEC A115-A (ESD, Machine model).
Основные критерии, по которым память, основанная на рассматриваемых технологиях, относится к RAM, это: одинаковая длительность циклов записи и чтения, а также неограниченное количество циклов обращения. Компоненты MRAM и FRAM действительно обеспечивают одинаковое время доступа в операциях чтения и записи. Но OUM имеет несимметричную длительность циклов записи-чтения. На примере компонента, анонсированного BAE Systems, длительность цикла чтения составляет 50 нс, а записи - 150 нс.
Ресурс памяти рассматриваемых технологий по количеству циклов обращения также не одинаков. При операциях чтения OUM ресурс материала не исчерпывается - токи, тестирующие сопротивление ячейки, слишком малы, чтобы изменить фазовое состояние сплава. Испытания материалов по записи в ячейку OUM показывают возможно достижимую выносливость до 10 12 циклов. Ресурс анонсированного компонента BAE Systems - 10 8 циклов записи. Чтение ячейки MRAM также можно считать не исчерпывающим ресурс - ток, проходящий через ферромагнетики не меняет уровень намагниченности жесткого и в незначительной степени влияет на мягкий. По количеству циклов записи в ячейку MRAM на сегодня достигнут порог в 10 15 циклов. Впереди всех FRAM - 10 16 и даже 10 19 циклов. Однако чтение FRAM также исчерпывает ресурс, как и запись. Но, проведя несложные вычисления, можно убедиться, что обращение к одной и той же ячейке FRAM на максимальной скорости (доступные сейчас компоненты обеспечивают время доступа 70 нс и длительность цикла 130 нс) не исчерпает ее ресурс и за 40 лет.
Среди эксплуатационных характеристик не последнее место занимает энергопотребление. Несмотря на заявленную экономичность MRAM, компоненты, анонсированные Cypress (CY9C62256, CY9C6264), по предварительным описаниям, потребляют ток 90 мА в активном режиме и 150 мкА в режиме ожидания, а Motorola (MR2A16A) не документирует этот параметр. OUM также пока трудно отнести к экономным - 60 мА в активном режиме (потребление в циклах записи не документировано) и 15 мА в режиме ожидания. На их фоне FRAM выглядит более привлекательной для современных приложений - 20 мА в активном режиме (одинаковое потребление при записи и чтении) и 15 мкА в режиме ожидания (на примере FM20L08 128Кх8, которая ожидается в этом году). Очевидно, с развитием технологий MRAM и OUM в будущем удастся снизить потребление, но принцип чтения - измерение сопротивления - всегда будет требовать больших энергозатрат, чем распознавание процесса заряда ферроэлектрического конденсатора.
Выводы и заключение
О назревающей революции в области запоминающих устройств говорится уже несколько лет. По всей видимости, в ближайшие год-два мы все же станем свидетелями прорыва, который даст новые идеи в первую очередь разработчикам. На протяжении десятилетий инженеры привыкли разделять постоянную и оперативную информацию между разными компонентами, использовать разные алгоритмы манипуляции с ними. Теперь типовые решения должны быть переработаны. С распространением универсальной памяти открываются новые возможности для построения экономичных, малогабаритных и более надежных устройств.
- Отработанная в течение многих лет технология, уже избавившаяся от «детских болезней».
- Признание производителями интегральных компонентов, и в еще большей степени их потребителями - производителями сложных готовых электронных приборов, подтвержденное многими десятками миллионов установленных FRAM.
- Невысокая стоимость производства и, как следствие, доступность для широкого применения.
- Отличные эксплуатационные и технические характеристики: низкое энергопотребление, высокое быстродействие и ресурс, устойчивость к жестким условиям эксплуатации. Все, что ограничивает до сих пор область применения FRAM - это небольшой максимальный объем и скорость, недостаточная для конкуренции с синхронной статической и динамической памятью. Успехи последних разработок позволяют предположить, что эти характеристики будут существенно улучшены в течение
- года.
Ближайшим конкурентом FRAM будет MRAM. Кроме более высокого энергопотребления анонсированные компоненты MRAM имеют сходные характеристики, а по быстродействию превосходят доступные сейчас компоненты FRAM. Пока трудно судить об их стоимости, автору не удалось обнаружить сведения о возможном уровне цен компонентов, которые должны появиться в этом году.
В отличие от корпорации Ramtron, сконцентрировавшей практически «в одних руках» сотни патентов на элементы технологии фер-роэлектрической памяти, работы по MRAM ведут несколько крупных разработчиков. Каждый из них владеет частью знаний и патентов. Ряд производителей (NEC, Toshiba, Cypress, Infineon и др.) приобрели лицензии на внедрение технологии. Таким образом, можно ожидать, что компоненты MRAM от разных производителей будут иметь различающиеся характеристики. По крайней мере, первое время мировой объем производства компонентов MRAM будет разделен в силу высокой конкуренции между производителями, и это не благотворно скажется на уровне стоимости.
Политика лицензирования, проводимая Ramtron, предполагает использование технологии лицензиатами только для создания встроенных массивов памяти и невозможность поставки микросхем памяти как законченных функциональных устройств. Это дает корпорации возможность сконцентрировать весь объем производства, снизить издержки, регулировать и поддерживать эффективный уровень цен.
Технология OUM в ближайшие 3-5 лет, вероятно, останется ориентированной на специальные применения и ни по уровню стоимости, ни по объему производства не будет широко распространяться.
Определение 1
В общем смысле энергонезависимой память ю является любое устройство памяти ПК или его часть, которое может хранить данные не зависимо от подачи электропитания.
Условно энергонезависимой памятью можно считать энергозависимую память, которая имеет внешнее питание (от батарейки или аккумулятора). Например, часы на системной плате ПК и память для хранения настроек $BIOS$ питаются от батарейки, которая закреплена на плате.
Память $CMOS$ ($Complementary \ Metal \ Oxide \ Semiconductor$) или КМОП (Комплементарные пары Металл-Оксид-Полупроводник) – память со средним быстродействием и низким энергопотреблением, поэтому может хранить данные в течение длительного времени.
Рисунок 1. Образец CMOS-памяти
Назначение энергонезависимой памяти CMOS
Микропрограммы в $BIOS$ считывают данные об оборудовании ПК из микросхемы $BIOS$, после чего они выполняют обращение к жесткому или гибкому диску и передают управление тем программам, которые там записаны.
Набор микропрограмм, которые составляют $BIOS$, хранятся в постоянной памяти ПК, которая располагается на системной плате. Параметры $BIOS$ зашиты компанией-разработчиком, но пользователи при надобности могут вносить необходимые изменения в эти параметры. Для этого служит связанная с $BIOS \ CMOS$-память, которая хранит настройки системы, в частности, вводимые пользователем через программу $BIOS \ Setup.$ Общий объем $CMOS$-памяти составляет всего $256$ байт.
Пример 1
К примеру, изготовители $BIOS$ не могут ничего знать о параметрах установленных на определенный ПК жестких или гибких дисков. Для обеспечения работы с таким оборудованием программы, которые входят в состав $BIOS$, должны знать, где можно найти нужные параметры. Но по известным причинам их нельзя хранить ни в оперативной памяти, ни в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ).
Для хранения подобных данных используется энергонезависимая $CMOS$-память. От оперативной памяти она отличается тем, что ее содержимое не удаляется после выключения ПК, а от ПЗУ – тем, что данные в нее можно заносить и изменять самостоятельно, в соответствии с тем, какое оборудование входит в состав системы. Микросхема $CMOS$-памяти питается от батарейки, которая расположена на системной плате. Заряда батарейки достаточно для того, чтобы микросхема не теряла данные даже в случае, если ПК не будут включать несколько лет.
Рисунок 2. Расположение батарейки CMOS-памяти
$CMOS$ используется для хранения информации о конфигурации, составе оборудования ПК и его параметрах, таких как данные о дисковых накопителях, о ЦП, тип видеоадаптера, наличие сопроцессора и других данных, а также о режимах его работы и информации, необходимой при запуске ПК (например, о порядке загрузки ПК). Микросхема $CMOS$-памяти также содержит электронные часы, которые указывают текущую дату и время.
Содержимое $CMOS$-памяти изменяется специальной программой $SETUP$, находящейся в $BIOS$. Тот факт, что ПК четко отслеживает время и дату (даже при выключенном питании), тоже связан с тем, что показания системных часов постоянно хранятся (и изменяются) в $CMOS$.
История технологии $CMOS$
Технология $CMOS$ известна давно. Память типа $CMOS \ RAM$ впервые была разработана в $1963$ г. в то время она была дорогой, но имела немало преимуществ. Не смотря на то, что у такой памяти ниже быстродействие, чем у обычной оперативной памяти, но для ее работы нужно меньше электроэнергии и она выделяет меньше тепловой энергии во время работы.
Для хранения данных $BIOS$ не нужно высокое быстродействие, однако желательно, чтобы количество энергии, которая используется при выполнении этой задачи, было как можно меньшим, поэтому память $CMOS$ в таком случае подходит больше всего.
Со времени открытия технологии $СМОS$ она была значительно усовершенствована. В современных ПК микросхемы $CMOS \ RAM$ применяются в большинстве элементов, даже в самом ЦП. Более того, технология $CMOS$ используется не только в ПК. Микросхемы, изготовленные по технологии $CMOS$, широко применяются не только в ПК, но и в фоточувствительных элементах (матрицах) сканеров и цифровых фотоаппаратов.
Обслуживание CMOS
$CMOS$-память – это небольшой, но очень важный элемент системы $BIOS$, от правильного функционирования которого зависит бесперебойная работа всего компьютера.
Несмотря на то, что $CMOS$-память потребляет мало энергии, тем не менее она все же в ней нуждается. Для питания памяти $BIOS$ в периоды времени, когда ПК отключен от сети, служит специальная литиевая батарейка. Ресурсы батарейки рассчитаны на несколько лет, но все же рано или поздно они подходят к концу и батарейку необходимо заменять.
При возникновении необходимости ее замены во время выполнения программы $POST$ появляется сообщение $«CMOS \ Battery \ State \ Low»$ или $«CMOS \ Checksum \ Error».$ Первыми признаками неоходимости замены батарейки может быть остановка внутренних часов-календаря, сбой системного времени или потеря установок $SETUP$ при выключении ПК.
На старых материнских платах батарейка в виде синего бочонка припаивалась к плате.
Существуют внешние батарейки для ПК, которые помещены в пластмассовые корпуса с проводами подключения. Этот корпус с помощью «липучки» закрепляют в удобном месте.
Замечание 1
Литиевые батарейки нельзя заряжать, т.к. при зарядке они взрываются и могут повредить внутренности ПК.
На современных системных платах чаще применяется батарейка в форме таблетки в специальном держателе (рис. 3), которая легко заменяется.
Рисунок 3. Батарейка CMOS-памяти
Замечание 2
Бывают случаи, когда нужно очистить $CMOS$-память, не прибегая к помощи программы $BIOS$. Такая ситуация может возникнуть в случае, если, например, утерян пароль для входа в ПК или в саму программу $BIOS$. Для обнуления $CMOS$ в большинстве ПК используется специальная перемычка, расположенная, как правило, в непосредственной близости от круглой литиевой батарейки. Однако лучше предварительно изучить документацию к системной плате.
Обычно для этого достаточно при выключенном ПК на несколько минут переставить перемычку в другое положение (рис. 4в).
Рисунок 4. Варианты подключения и обнуление CMOS: а – работа от внутренней батарейки, б – подключение внешней батарейки, в – обнуление CMOS
Иногда для сброса пароля предназначен отдельный переключатель (джампер). В этом случае, поменяв положение переключателя, ПК необходимо включить – только тогда пароль будет сброшен, после чего переключатель необходимо вернуть в исходное состояние.
Не стоит забывать, что при обнулении памяти $CMOS$ данные, хранящиеся в ней, будут утеряны. Поэтому могут стать неработоспособными лицензионные программы, установленные на ПК, которые привязывают свою лицензию к ключу, хранящемуся в $CMOS$-памяти.
Для страховки от подобных неприятностей после установки подобных защищенных продуктов используется специальное программное обеспечение, которое дает возможность сохранять в отдельном файле содержимое $CMOS$.
О компонентах памяти написано достаточно много (и даже более). Но прогресс не стоит на месте, в том числе и память. Поэтому, учитывая современные тенденции развития информационных технологий, рассмотрим память для мобильных систем, одними из важнейших параметров которой являются надежность и быстродействие.
Надежность любой микросхемы памяти - способность сохранять данные, причем не только в рабочем режиме, но и в критических ситуациях (броски питания, шумы и т.п.). Существенную роль в этом играет также технология производства (об этом чуть ниже). Очевидно, что максимальную надежность может дать только энергонезависимая память. Выбрав из энергонезависимой памяти самую быструю, получим то, что необходимо. Но это решение "в лоб" не всегда дает необходимый результат. К этому следует добавить стоимость, организацию записи и чтения и т.д.
Сейчас выбор ИС энергонезависимой памяти достаточно широк: nvSRAM со встроенной батареей (Dallas Semiconductor), flash (Intel, AMD), EEPROM (Atmel, ST), FRAM (Ramtron), nvSRAM (Simtek). Каждый тип памяти имеет свои достоинства, но и свои недостатки. Например, в некоторых электронных изделиях нельзя применять память со встроенным источником питания, поблочная запись данных во flash ограничивает быстродействие (и, соответственно, степень надежности сохранности данных). Технология плавающего затвора, на основе которой изготавливаются flash и EEPROM, также налагает ограничения на надежность. Использование FRAM ограничено скоростью записи и ценой. Для наглядности можно обратиться к таблице 1, где приведены все виды памяти.
Таблица 1. Сравнительные характеристики памяти
| ROM | PROM | EPROM | Flash | EEPROM | DRAM | SRAM | FRAM | nvSRAM | |
| Энергонезависимость | + | + | + | + | + | + | + | ||
| Неограниченный срок службы | + | + | + | ||||||
| Произвольный доступ | + | + | + | + | |||||
| Необходимость регенерации | + | ||||||||
| Запись менее 35 нс | + | + | + | ||||||
| Чтение мениее 35 нс | + | + | + | ||||||
| Возможность перепрограммирования в системе | + | + | + | + | + | + | |||
| Побайтное программирование | + | + | + | + | + |
В энергонезависимой памяти nvSRAM (Simtek) (в дальнейшем - просто nvSRAM) устранены все (или почти все) проблемы, свойственные другим типам памяти, в том числе и на технологическом уровне. Главное достоинство nvSRAM - высочайшая надежность (рекламное сравнение с надежностью стального капкана вполне оправдано), которая достигнута, с одной стороны, за счет схемотехнического решения, и, с другой стороны, - применением технологии QuantumTrap™ ("квантовый капкан").
Технология Quantum Trap™ используется при формировании элементов EEPROM вместо технологии плавающего затвора и является важным фактором, определяющим высокую надежность nvSRAM.
Технология плавающего затвора - основа производства flash-памяти и традиционных EEPROM. Общим для всех вариантов этой технологии является перенос заряда через оксидный слой на проводящий плавающий затвор, где и происходит его запоминание. Относительно большие локальные токи или электрические поля, используемые при стирании/программировании, приводят к деградации оксидного слоя. Это приводит, в зависимости от варианта технологии, или к "залипанию" битов в состоянии "1" или - утечке электронов с плавающего затвора на подложку через деградировавший слой оксида.
Эти проблемы устранены в технологии QuantumTrap™, где для хранения заряда применяются значительно меньшие токи и электрические поля. Такое стало возможно благодаря очень тонкому слою окисла для накачки заряда и изолирующему слою для хранения заряда. Как следствие, в приборах на базе технологии QuantumTrap™ нет утечки электронов на подложку. Пробой слоя оксида в таком приборе приведет только к небольшой локальной утечке.
Что такое nvSRAM?
Это высокоскоростная энергонезависимая память с произвольным доступом (по ГОСТУ - запоминающее устройство с произвольной выборкой ЗУПВ), созданная на основе стандартной SRAM, в которую интегрированы элементы EEPROM, выполненные по технологии QuantumTrap™. Реально nvSRAM работает как две независимые памяти - SRAM и EEPROM. Статическая память идентична обычному ЗУПВ,
А параллельный доступ к EEPROM возможен только через SRAM (структурная блок-схема - на рис. 1).
Рис. 1. Блок-схема NV SRAM STK14C88-3
Таблица 2. Семейство энергонезависимой памяти STK
| Организация памяти | Вид сохранения данных | Число выводов | Корпус | Обозначение |
| 512x8 | Аппаратное | 28 | W | STK20C04 |
| 2 Kx8 | Аппаратное | 28 | N,P,S | STK10C48 |
| 2 Kx8 | Программное | 28 | N,P,S | STK11C48 |
| 2 Kx8 | AutoStore | 28 | N,P,S,W | STK22C48 |
| 2 Kx8 | AutoStore | 28 | W | STK25C48 |
| 8 Kx8 | Аппаратное | 28 | C,L,P,S | STK10C68 |
| 8 Kx8 | Программное | 28 | C,L,P,S | STK11C68 |
| 8 Kx8 | AutoStore | 28 | C,L,P,S,W | STK12C68 |
| 8 Kx8 | AutoStore | 28 | P,S,W | STK15C68 |
| 8 Kx8 | AutoStorePlus | 28 | W | STK16C68 |
| 32 Kx8 | Программное | 28 | N,P,S,W | STK11C88 |
| 32 Kx8 | AutoStore | 32 | C,L,N,W | STK14C88 |
| 32 Kx8 | AutoStore | 28 | N,P,S,W | STK15C88 |
| 32 Kx8 | AutoStore | 28 | W | STK16C88 |
| 128 Kx8 | AutoStore | 32 | D | STK25CA8 |
При включении питания автоматически запускается режим восстановления данных RECALL, при котором все данные передаются из EEPROM в статическую память при достижении напряжения питания определенного уровня. Запись и чтение SRAM никак не затрагивают содержимое EEPROM (отличное ПЗУ с перезаписью!). Восстановление данных из EEPROM в SRAM можно инициировать и по команде. Максимальное время параллельной передачи всех данных из EEPROM в статическую память не превышает 20 мкс.
При сохранении данных (режим STORE) данные передаются из SRAM в EEPROM. Режим STORE может быть реализован (в зависимости от вида ИС, см. таблицу 2) автоматически (при пропадании питания), программным путем или аппаратным способом. Чтобы сохранить все данные (из SRAM в EEPROM) требуется всего 10 мс.
В некоторых приборах реализована функция AutoStore™, при которой сохранение данных происходит в фоновом режиме при падении напряжения питания. В ИС семейств STK15Схх и STK25Схх для выполнения режима AutoStore™ используется системный конденсатор. В тех случаях, когда скорость падения напряжения питания велика или неопределенна, в семействах STK12Схх, STK14Схх и STK22Схх необходим внешний конденсатор небольшой емкости для гарантированного сохранения данных. В серии STK16Схх AutoStorePlus во внешнем конденсаторе нет необходимости - он уже встроен в ИС.
Программное сохранение данных (STORE) и восстановление данных (RECALL) реализуется чтением последовательности из шести определенных адресов, тактируемых сигналом с вывода доступа кристалла. Эти функции могут быть использованы для хранения определенного кода и данных или программного перезапуска системы после записи в SRAM. Режимы программных STORE и RECALL имеются в STK11Схх и в большинстве приборов с функцией AutoStore.
Аппаратное сохранение данных реализовано в семействах STK10Схх, STK12Схх, STK14Схх.
Архитектура nvSRAM
Как уже отмечалось выше, она идентична асинхронной статической памяти с произвольной выборкой (рис. 1). При обычном режиме работы нет никаких различий между статической памятью и nvSRAM. Различие появляется при передаче данных из матрицы SRAM в матрицу EEPROM (режим STORE) и обратно (RECALL). Реально, две матрицы физически объединены в одну.
При подаче питания аналоговая схема управления питанием Power Control отслеживает уровень питания и запускает автоматический самосинхронизирующийся режим восстановления данных RECALL. Данные, таким образом, сразу доступны пользователю. Программное восстановление данных реализуется схемой Software Detect на основе ПЛМ, которая постоянно проверяет адреса, тактируемые сигналом на выводе Е. Когда определяется заданная последовательность адресов, то статическая память изолируется от системы, данные в ней стираются и записываются данные из EEPROM. Массив данных объемом 256К переносится из EEPROM в SRAM за 20 мкс (пропускная способность – 13 Гбит/с).
Режим STORE запускается схемой управления питанием Power Control при сбое питания (параллельная передача данных со скоростью 26 Мбит/с) или схемой Software Detect при определенной последовательности адресов.
Восстановление дефектных битов с помощью встроенной схемы резервирования позволяет увеличить выход годных кристаллов.
Основное отличие энергонезависимой памяти Simtek от других энергонезависимых элементов памяти заключается в том, что высоковольтная часть схемы ограничена только блоком управления STORE/RECALL Control c одним ключом. Этот единственный высоковольтный узел – шина из поликремния второго уровня, которая подключается к транзисторам, обеспечивающим энергонезависимый режим. Никакие другие транзисторы матрицы памяти к высокому напряжению не подключены, что никак не отражается на работе стандартных элементов nvSRAM. Результатом такой архитектуры является дополнительная надежность всей памяти в целом, а ограниченное число высоковольтных элементов привлекательно с точки зрения экономии места на кристалле. Существующую схему памяти не потребуется перерабатывать при внедрении технологии Simtek.
В качестве примера рассмотрим микросхему STK14C88. Память STK14C88-3 – быстрое статическое ОЗУ 32Кх8 с энергонезависимым элементом в каждой ячейке памяти (блок-схема приведена на рис. 1). Количество циклов чтения/записи неограниченно, при этом данные в энергонезависимых элементах сохраняются достаточно долго (100 лет).
STK14C88-3 работает в двух различных режимах: режиме памяти и энергонезависимом режиме. В режиме памяти микросхема функционирует как обычное быстродействующее статическое ОЗУ. В энергонезависимом режиме данные передаются из памяти в энергонезависимые элементы (режим хранения STORE) или из энергонезависимых элементов в память (режим восстановления RECALL). При этом все функции памяти заблокированы.
Устранение помех. Поскольку STK14C88-3 является быстродействующей памятью, то для надежной работы необходим ВЧ-конденсатор порядка 0,1 мкФ между V cap и V ss , причем выводы конденсатора и дорожки печати должны быть максимально короткими. Требования к разводке питания, «земли», и сигналов те же, что и для всех быстрых КМОП ИС.
Чтение памяти. Цикл чтения READ для STK выполняется, когда на E и G низкий уровень, а на W и HSB – высокий. Доступ к конкретному байту данных из 32768 определяется адресом на выводах А0-14. Если чтение инициализируется адресным переходом (цикл чтения READ#1, рис. 2), то действительное значение появится на выходе через t AVQV . При инициализации чтения E или G (цикл чтения READ#2, рис. 3), данные появятся на выходе с задержкой t ELQV или t GLQV (с большей задержкой из двух). Состояние на выходе будет сохраняться до тех пор, пока не произойдет изменение адреса или на выводах E или G не установится высокий уровень или на W или HSB – низкий.
Рис. 2. Временная диаграмма записи данных READ#2
Рис. 3. Временная диаграмма записи данных READ#2
Запись в память. Если на E и W низкий уровень, а на HSB – высокий, то при этих условиях выполняется запись данных в память (WRITE). Адрес должен быть установлен до начала и оставаться неизменным до конца цикла записи или пока на E или W не установиться высокий уровень. Данные на выводах входа/выхода DQ0-7 будут записаны в память при условии, что они остаются неизменными на этих выводах t DVWH (если запись управляется W, рис.4) или tDVEH (для управления по E, рис.5).
Рис. 4. Временная диаграмма записи данных (управление по W)
Рис. 5. Временная диаграмма записи данных (управление по Е)
Чтобы на шине данных не возникало эффекта «состязания», рекомендуется удерживать на выводе G высокий уровень во время записи. Если на G будет низкий уровень, то встроенная схема отключит выходные буферы через tWLQZ после перехода W в низкий уровень (со всеми вытекающими отсюда последствиями).
Рис. 6. Временная диаграмма программной записи/восстановления данных в энергонезависимую память
Программная запись в энергонезависимую память STORE
Кроме автоматической записи данных в энергонезависимую память при сбое питания, в STK14C88-3 предусмотрена возможность программной записи данных (STORE) (в любой момент времени) при помощи шести циклов чтения из специальных адресных ячеек (временная диаграмма на рис.6). Во время этой записи в первую очередь стираются данные предыдущей записи, а затем выполняется программа копирования данных из ОЗУ в энергонезависимую память. При инициализации программной записи операции ввода/вывода запрещаются до окончания цикла. Поскольку при инициализации STORE используется последовательность операций чтения специальных адресов, то важно, чтобы никакие другие операции чтения или записи не вклинились в этот процесс. В противном случае программная запись данных в энергонезависимую память не состоится. Последовательность команд чтения для запуска STORE приведена в таблице 3.
Как только считывается шестой адрес этой последовательности, внешний доступ к ИС блокируется и происходит сохранение данных. Важным моментом такого сохранения данных является использование только операций чтения (какая-либо запись при этом отсутствует, требуется лишь удержание низкого уровня на G). Программный цикл записи завершается через tSTORE, после чего оперативная память снова готова к записи и чтению.
Программное восстановление данных из энергонезависимой памяти RECALL аналогично программной записи: для инициализации выполняется чтение определенных адресов (таблица 4).
Таблица 3. Инициализация программной записи данных
| № | Считываемый адрес | Действие |
| 1 | 0E38 (hex) | Чтение адреса |
| 2 | 31C7 (hex) | Чтение адреса |
| 3 | 03E0 (hex) | Чтение адреса |
| 4 | 3C1F (hex) | Чтение адреса |
| 5 | 303F (hex) | Чтение адреса |
| 6 | 0FC0 (hex) | Запуск STORE |
Таблица 4. Инициализация программного восстановления данных
| № | Считываемый адрес | Действие |
| 1 | 0E38 (hex) | Чтение адреса |
| 2 | 31C7 (hex) | Чтение адреса |
| 3 | 03E0 (hex) | Чтение адреса |
| 4 | 3C1F (hex) | Чтение адреса |
| 5 | 303F (hex) | Чтение адреса |
| 6 | 0C63 (hex) | Запуск RECALL |
Операция RECALL выполняется за два шага. Сначала очищается ОЗУ, а затем происходит перенос информации из энергонезависимой памяти в ячейки оперативной памяти за время t RECALL , после чего можно снова читать и писать. Учитывая, что при восстановлении данные в энергонезависимой памяти не изменяются, то их можно восстанавливать неограниченное число раз (как вариант ПЗУ со 100-летним сроком хранения).
Режим автосохранения данных AutoStore
В режиме нормального автосохранения данных происходит заряд конденсатора, подсоединенного к выводу VCAP, который используется для выполнения однократной записи данных в энергонезависимую память. Если напряжение на V CAP станет ниже V SWITCH , то схема управления автоматически отключит вывод V CAP от питания V CCX и запустит режим сохранения данных (рис.7). На рис. 8 показана схема подключения конденсаторов для автоматического сохранения данных, емкость накопительного конденсатора должна быть в пределах 68-220 мкФ.
Рис. 7. Временная диаграмма режима автосохрания данных Autostore
Рис. 8. Схема подключения накопительного конденсатора в режиме автосохрания данных Autostore
Чтобы избежать нежелательных записей в энергонезависимую память, вывод HSB устанавливается в низкий уровень (подключается к V CAP через внешний резистор), при этом будет игнорироваться команда записи WRITE. Это, кстати, является для системы сигналом, что работает AutoStore. Наличие или отсутствие команды записи на программное сохранение данных никак не влияет.
В случае, если напряжение питания падает быстрее, чем 20 В/мкс, то между выводом V CCX и источником питания необходимо установить резистор 1 Ом для устранения броска тока между V CCX и V CAP .
Аппаратная запись в энергонезависимую память
Для аппаратной записи данных в энергонезависимую память используется вывод HSB (рис.9). Помимо этого, этот вывод работает как индикатор активного режима сохранения данных (независимо от вида этого режима).
Если при включении нескольких STK14C88-3 применяется один конденсатор большой емкости, то вывод HSB используется для их синхронизации.
Рис. 9. Временная диаграмма аппаратной записи в эенргонезависимую память
Память NvSRAM «едина в трех лицах»: заменяет память со встроенным питанием, flash и EEPROM.
Использование nvSRAM вместо памяти со встроенным питанием позволяет:
- избавиться от контактных сбоев; потери данных при коротком замыкании или электрических помехах;
- головной боли, связанной с установкой (не нужны специальные контакты) ИС и контролем питания;
- быстрее читать/записывать данные;
- устанавливать микросхему прямо на плату;
- иметь память, не только совместимую по выводам со стандартной batRAM, но и в корпусе miniDIP и SMD.
При замене Flash-памяти:
-
легкое и быстрое сохранение данных;
побайтная запись и чтение;
отсутствие проблем плавающего затвора;
однополярное питание;
все программы и данные сохраняются за один цикл STORE пльзователем или автоматически при сбое питания;
память пограмм, память данных и статическое ЗУПВ в одном корпусе.
В сравнении с EEPROM:
- не имеет ограничений на число циклов записи;
- обладает симметричным циклом чтение/запись 20 нс;
- может сохранить всю матрицу данных при сбое питания с использованием нулевого системного времени;
- нет проблем плавающего затвора;
- 100% контроль при сохранении данных (недоступно при технологии плавающего затвора).
