Реферат: Альтернативные носители информации
Реферат: Альтернативные носители информации
Академия
Реферат
По дисциплине электроника
По теме: «Альтернативные носители информации»
Введение
Современный человек не в состоянии жить без информации. Но информации имеет такую особенность — ее надо где–то хранить. Систем хранения информации сейчас довольно много. Ее можно хранить на магнитных носителях, можно хранить на оптических и магнитооптических носителях. Но перед человеком в наше время также стоит довольно важная проблема — перенос информации из одного места в другое, а также не менее важная проблема хранения информации, и как следствие, надежность носителей. Именно поэтому так быстро развивались технологии, связанные с хранением информации.
Но именно здесь встает несколько проблем. Первая — это энергопотребление. Современная техника, такая как карманные компьютеры или MP3-плееры, обладает довольно ограниченными энергетическими ресурсами. Память, обычно используемая в ОЗУ компьютеров, требует постоянной подачи напряжения. Дисковые накопители могут сохранять информацию и без непрерывной подачи электричества, зато при записи и считывании данных тратят его за троих. Поэтому требовался носитель, который будет энергонезависимым при хранении и малопотребляющим энергию при записи и считывании информации. И тут хорошим выходом стала флэш–память. Носители на ее основе называются твердотельными, поскольку не имеют движущихся частей. И это еще одно преимущество данного типа памяти.
Сегодня флэш-память можно найти в самых разных цифровых устройствах. Её используют в качестве носителя микропрограмм для микроконтроллеров HDD и CD-ROM, для хранения BIOS в ПК. Флэш-память используют в принтерах, КПК, видеоплатах, роутерах, брандмауэрах, сотовых телефонах, электронных часах, записных книжках, телевизорах, кондиционерах, микроволновых печах и стиральных машинах... список можно продолжать бесконечно. А в последние годы флэш становится основным типом сменной памяти, используемой в цифровых мультимедийных устройствах, таких как mp3-плееры и игровые приставки. А все это стало возможным благодаря созданию компактных и мощных процессоров.
Так что же такое Flash память, каковы ее преимущества и недостатки?
Типы электронной памяти
Компьютерные программы или данные — это совокупность битов информации, представленных в виде последовательности логических нулей и единиц. Для организации хотя бы кратковременного хранения информации необходимо устройство, которое запоминало бы некие состояния, распознаваемые системами компьютера (или любого портативного цифрового устройства, которое, по сути, тоже компьютер), как логические нули и единицы. Понятно, что это должны быть электрические сигналы, раз уж современный компьютер является электронным, а не механическим устройством.
Самый быстродействующий тип электронной памяти — энергозависимая динамическая память. Именно она применяется в компьютерах и других цифровых устройствах в качестве оперативной памяти — ОЗУ. Или RAM — память с прямым доступом.
Информационная ячейка такой памяти представляет собой миниатюрный конденсатор — пару проводников, отстоящих друг от друга на небольшом расстоянии и способных накапливать и удерживать в течение некоторого времени электрический заряд. Наличие заряда в ячейке памяти интерпретируется компьютером, как логическая единица, отсутствие заряда — как логический нуль.
Время удержания заряда невелико и исчисляется миллисекундами. Даже современные материалы, из которых изготавливают разделяющие проводники изоляторы, не увеличивают времени саморазряда микроконденсаторов. Слишком уж невелики физические размеры ячеек и слишком невелики электрические заряды между парами проводников.
Для поддержания уровня зарядов и, соответственно, сохранения информации в ячейках микросхемы контроллер памяти постоянно подзаряжает конденсаторы. При обновлении содержимого памяти одни пары проводников разряжаются, другие, наоборот, получают заряд. Процесс происходит непрерывно, динамически и до тех пор, пока не отключено питание компьютера. Соответственно, и информация в микросхемах оперативной памяти сохраняется только пока компьютер не обесточен.
Остается добавить, что каждая ячейка электронной памяти, независимо от ее типа, имеет строго фиксированный системный адрес. Но доступ к любой ячейке — прямой, компьютеру не приходится последовательно проверять состояние всех ячеек, чтобы считать нужный бит информации.
От ROM к Flash
Флэш-память исторически произошла от полупроводникового ROM, однако ROM-памятью не является, а всего лишь имеет похожую на ROM организацию. Множество источников (как отечественных, так и зарубежных) зачастую ошибочно относят флэш-память к ROM. Флэш никак не может быть ROM хотя бы потому, что ROM (Read Only Memory) переводится как "память только для чтения". Ни о какой возможности перезаписи в ROM речи быть не может!
Небольшая, по началу, неточность не обращала на себя внимания, однако с развитием технологий, когда флэш-память стала выдерживать до 1 миллиона циклов перезаписи, и стала использоваться как накопитель общего назначения, этот недочет в классификации начал бросаться в глаза.
Среди полупроводниковой памяти только два типа относятся к "чистому" ROM - это Mask-ROM и PROM. В отличие от них EPROM, EEPROM и Flash относятся к классу энергонезависимой перезаписываемой памяти (английский эквивалент - nonvolatile read-write memory или NVRWM).
ROM:
· 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). Память устроена в виде адресуемого массива ячеек (матрицы), каждая ячейка которого может кодировать единицу информации. 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 -
(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
NVRWM:
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.
EPROM от Intel была основана на МОП-транзисторах с лавинной инжекцией заряда (FAMOS - Floating Gate Avalanche injection Metal Oxide Semiconductor, русский эквивалент - ЛИЗМОП). В первом приближении такой транзистор представляет собой конденсатор с очень малой утечкой заряда. Позднее, в 1973 году, компания Toshiba разработала ячейки на основе SAMOS (Stacked gate Avalanche injection MOS, по другой версии - Silicon and Aluminum MOS) для EPROM памяти, а в 1977 году Intel разработала свой вариант SAMOS.
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 были разработаны в 1979 году в той же Intel. В 1983 году вышел первый 16Кбит образец, изготовленный на основе FLOTOX-транзисторов (Floating Gate Tunnel-OXide - "плавающий" затвор с туннелированием в окисле).
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):
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.
Преимущества флэш-памяти по сравнению с EEPROM:
1. Более высокая скорость записи при последовательном доступе за счёт того, что стирание информации во флэш производится блоками.
2. Себестоимость производства флэш-памяти ниже за счёт более простой организации.
Недостаток: Медленная запись в произвольные участки памяти.
Технология Flash
Изобретателем flash–памяти можно считать компанию Toshiba, которая в 1984 году уже начала производство микросхем. Четыре года спустя компания Intel «изобрела» свой «флэш–вариант», и теперь очень многие незаслуженно считают изобретателем именно ее.
До сих пор неизвестно происхождение термина Flash, так как это слово имеет три различных перевода. Соответственно, существует три версии названия памяти:
· Flash переводится как «короткий кадр». Компания Toshiba дала такое название из–за короткого по времени процесса стирания данных (In da Flash — в мгновение ока).
· Flashing можно перевести как прожиг, засвечивание. Flash–память по–прежнему прожигается, как и ее предшественники.
· Третье значение этого слова блок, кадр. Запись/стирание такой памяти осуществляется блоками.
По устройству чип флэш–памяти отдаленно напоминает микросхему динамической энергозависимой памяти, только вместо конденсаторов в ячейках памяти установлены полупроводниковые приборы — транзисторы. При подаче напряжения на выводы транзистора он принимает одно из фиксированных положений — закрытое или открытое. И остается в этом положении до тех пор, пока на выводы транзистора не будет подан электрический заряд, изменяющий его состояние. Таким образом, последовательность логических нулей и единиц формируется в этом типе памяти подобно ПЗУ — закрытые для прохождения электрического тока ячейки распознаются как логические единицы, открытые — как логические нули.
Таким образом, в самом простом случае ячейка Flash состоит из одного полевого транзистора. Элемент включает в себя специальную электрически изолированную область, называемую «плавающим затвором». Этот термин возник из–за того, что потенциал этой области не является стабильным, что позволяет накапливать в ней электроны (именно здесь и хранится вся информация памяти). Выше «плавающего» находится управляющий затвор, который является неотъемлемой частью при процессе записи/стирания данных памяти. Эта область напрямую соединена с линией слов. Перпендикулярно этой линии располагается линия битов, которая соединена со стоком (при записи данных из этой области транзистора появляется поток электронов). Сток разделяется с истоком специальной подложкой, которая не проводит электрический ток.
В начале развития Flash каждая ячейка памяти хранила один бит информации и состоила из одного полевого транзистора. Прогресс не стоит на месте, через несколько лет после выпуска чудо–микросхемы были проведены успешные испытания флешек, в которых ячейка хранила уже два бита. Естественно, что на такую память можно было записать в два раза больше информации. В настоящее время уже существуют теоретические разработки памяти с четырехбитными ячейками.
Как же устроена такая ячейка? Ведь теоретически наличие заряда в ячейке памяти означает 1, отсутствие 0, остальные значения представить невозможно. Но на самом деле, в микросхеме с MLC существует различие величин заряда, которые накапливаются на «плавающем» затворе. Благодаря этому различию, информация в ячейке может быть представлена различными битовыми комбинациями. Величину заряда на затворе можно определить измерением порогового (максимального) напряжения транзистора и по итогам этого измерения представить битовую комбинацию.
