МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ. Представленная на рис
Флеш-память (англ. flash memory) — разновидность полупроводниковой технологии электрически перепрограммируемой памяти (EEPROM). Это же слово используется в электронной схемотехнике для обозначения технологически законченных решений постоянных запоминающих устройств в виде микросхем на базе этой полупроводниковой технологии. В быту это словосочетание закрепилось за широким классом твердотельных устройств хранения информации.
Благодаря компактности, дешевизне, механической прочности, большому объёму, скорости работы и низкому энергопотреблению, флеш-память широко используется в цифровых портативных устройствах и носителях информации. Флеш пам'ять зберігає інформацію в масиві «комірок», кожна з яких традиційно зберігає по одному біту інформації. Кожна комірка — це транзистор із плаваючим затвором. Новіші пристрої (інколи їх ще називають багатозарядними пристроями) можуть містити більше, ніж 1 біт в комірці, використовуючи два чи більше рівні електричних зарядів, розташованих при плаваючому затворі комірки.
У флеш пам'яті типу NOR кожна комірка схожа на стандартний MOSFET (оксидний напівпровідниковий польовий транзистор), але у ній є не один затвор, а два. Як і будь-який інший польовий транзистор, вони мають контрольний затвор (КЗ), а, окрім нього, ще й інший — плаваючий (ПЗ), замкнений всередині оксидного шару. ПЗ розташований між КЗ і підкладкою. Оскільки ПЗ відокремлений власним заізольованим шаром оксиду, будь-які електрони, що попадають на нього відразу потрапляють в пастку, що дозволяє зберігати інформацію. Захоплені плаваючим затвором електрони змінюють (практично компенсують) електричне поле контрольного затвору, що змінює порогову напругу (Vп) затвору. Коли з комірки «зчитують» інформацію, до КЗ прикладають певну напругу, в залежності від якої в каналі транзистора протікатиме або не протікатиме електричний струм. Ця напруга залежить від Vп комірки, яка в свою чергу контролюється числом захоплених плаваючим затвором електронів. Величина порогової напруги зчитується і перекодовується в одиницю чи нуль. Якщо плаваючий затвор може мати кілька зарядових станів, то зчитування відбувається за допомогою вимірювання сили струму в каналі транзистора.
Для запису інформації в " комірку" NOR необхідно зарядити плаваючий затвор. Цього досягають, пропускаючи через канал транзистора сильний струм, при якому виникають гарячі електрони, що мають достатню енергію для подолання оксидного шару.
Для очищення плаваючого затвору від електронів (стирання інформації) до контрольного затвору прикладають значну напругу, яка створює сильне електричне поле. Захоплені плаваючим затвором електрони висмоктуються цим полем, тунелюючи через оксидний шар.
У приладах з однотипною напругою (теоретично всі чипи, які доступні нам на сьогоднішній день) ця висока напруга створюється генератором підкачки заряду. Більшість сучасних компонентів NOR-пам'яті розділені на чисті сегменти, які часто називають блоками чи секторами. Всі комірки пам'яті в блоці повинні бути очищені одночасно. На жаль, метод NOR може в загальному випадку обробляти лише одну частину інформації типу byte чи word.
NAND-пам'ять використовує тунельну інжекцію для запису і тунельний випуск для вилучення. NAND'ова флеш-пам'ять формує ядро легкого USB-інтерфейсу запам'ятовуючих приладів, які також відомі як USB флешки.
Тоді, коли розробники збільшують густину флеш приладів, індивідуальні комірки діляться і кількість електронів в будь-якій комірці стає дуже малою. Парування між суміжними плаваючими затворами може змінити характеристики запису комірки. Нові реалізації, такі як заряджені пастки флеш пам'яті, намагаються забезпечити кращу ізоляцію між суміжними комірками. Обмеження
Одним обмеженням флеш-пам'яті є те, що хоча вона і може читати чи запрограмувати одиницю інформації типу байт чи word за один відрізок часу у вибірковому методі доступу, вона також повинна очистити «блок» за той самий час. Стандартно всі біти при такій операції в блоці замінюються на 1. Діючи вже із чистим блоком будь-яке місце в межах блоку може бути запрограмоване. Проте як тільки біт стане рівним 0, лише видалення всього блоку змусить його повернутись назад в положення 1. Іншими словами, флеш-пам'ять (особливо флеш NOR) пропонує вибірковий метод читання і програмування операцій, Але не може дозволити вибірковий метод перезапису чи видалення. Хоча місце в пам'яті може бути переписаним до того часу, поки нові значення нульових бітів є надмножиною перезаписаних значень. Наприклад, число, яке складається з чотирьох бітів може бути очищене до 1111, тоді записане як 1110. Успішний запис до цього числа може змінити його на 1010, тоді на 0010, і нарешті на 0000. Хоча структура інформації у флеш-пам'яті не може бути оновлена в кардинально простими шляхами, вона дозволяє «видаляти» її члени, позначаючи їх невірними. Ця техніка повинна бути дещо вдосконалена для багаторівневих приладів, де одна комірка пам'яті тримає більш, ніж 1 біт.
Якщо порівнювати з вінчестером, іншим обмеженням є той факт, що флеш-пам'ять має скінченну кількість циклів запису-видалення (більшість комерційно доступних флеш продуктів гарантують витримати 1 мільйон програмних циклів), тому це потрібно мати на увазі при переміщенні програмок, розрахованих для вінчестера (наприклад операційні системи) на такі носії флеш-пам'яті, як CompactFlash. Цей ефект — часткове зміщення деякими драйверами до файлової системи, які обраховують записи і динамічні переміщення блоків, щоб розтягнути операції запису між секторами, або які обраховують підтвердження запису і переміщення, щоб розтягнути сектори у випадку невдалого запису.
Ціна флеш-пам'яті залишається значно вищою ніж відповідна ціна вінчестера, і це (разом зі скінченністю кількості циклів запису-видалення, про яку згадано раніше) утримує флеш-пам'ять від того, щоб стати основною заміною вінчестерів на нормальних настільних комп'ютерах чи ноутбуках. [ред.] Доступ на низькому рівні
Низькорівневий доступ до фізичної флеш-пам'яті драйвером даного приладу відрізняється від доступу до інших типів пам'яті. Де звична RAM-пам'ять просто буде відповідати на запити читання та запису інформації і повертати результат цих операцій в ту ж мить, там флеш-пам'ять потребує додаткового часу, особливо коли використовується програмна пам'ять на кшталт ROM'а.
Коли зчитування даних може бути здійснене на індивідуальних адресах пам'яті NOR (але не NAND), операції розблокування (яка робить дії запису і видалення доступними), видалення і запису виконуються не однаково на різних видах флеш-пам'яті. Типовий розмір блоку становить 64, 128 або 256 Кб.
Одна група, яка носить назву ONFI (відкрита група по вдосконаленню NAND інтерфейсу) спрямована на розробку стандартизованого низькорівневого NAND- флеш-інтерфейсу, що зробить доступним можливість взаємодії між NAND-приладами від різних вендорів. Мета цієї групи включає розробку стандартизованого інтерфейсу на рівні чипа (схема розподілу виходів) для NAND-пам'яті, стандартний набір команд і механізм самоідентифікації. Специфікацію планують викласти в маси наприкінці 2006 року. [ред.] Пам'ять типу NOR
Режим читання NOR-пам'яті схожий до зчитування зі звичайної пам'яті, забезпечені адреси та шина даних вірно прив'язані, тому пам'яті типу NOR виглядають майже так само як і будь-яка залежна від адреси пам'ять. Флеш-пам'ять NOR може бути використана як пам'ять типу XIP (execute-in-place), а це означає що вона веде себе як ROM-пам'ять, прив'язуючись до конкретних адрес. Флеш пам'ять NOR немає впорядкування внутрішніх поганих блоків, тому коли флеш-блок втрачає свою внутрішню структуру, тоді або програма, яка використовує його повинна вчинити деякі дії, або прилад зупиняє роботу.
Розблоковуючи, видаляючи чи записуючи на NOR пам'ять спеціальні команди записуються на першу сторінку прив'язаної пам'яті. Ці команди визначають Загальний Стандартний інтерфейс (CFI), заснований Intel'ом, і флеш-область представить список всіх доступних команд фізичного драйвера.
Крім використання в ролі ROM'а, NOR пам'яті можуть, звичайно, також бути розділені файловою системою і тоді використовуватись у будь-якому приладі. Проте файлові системи NOR зазвичай дуже повільні при записі, якщо порівнювати із файловими системами, які побудовані на NAND пам'яті. [ред.] Пам'ять типу NAND
NAND флеш пам'яті не можуть забезпечити принцип «миттєвий запис» (XIP) через інші конструкційні принципи. Доступ до цієї пам'яті може бути здійснений методом блокових приладів, таких як вінчестери та карти пам'яті. Розмір блоків зазвичай має 512 або 2048 байт. В кожному блоці зарезервовано деяку кількість байт (зазвичай від 12 до 16), які зберігають різноманітні помилки і контрольну суму блоку.
Прилади типу NAND зазвичай залежать від програмної обробки блоків. Це означає, що коли зчитують логічний блок, він прив'язується до фізичного блоку, і що коли прилад має деяку кількість блоків, встановлених за своїми межами, вони встановлюються зі зміщенням, компенсуючи втрату поганих блоків і зберігають первинну і вторинну таблицю прив'язки.
Методи виправлення помилок та визначення контрольної суми зазвичай виявляють помилку, де один біт інформації в блоці невірний. Коли це трапляється, блок позначається як поганий в таблиці логічного розміщення, і його вміст (ще непошкоджений) копіюється у новий блок, а таблиця логічного розміщення знову змінюється. Якщо у пам'яті пошкоджено більш, ніж 1 блок, тоді вміст блоку практично втрачений, тобто стає неможливо відновити оригінальний вміст. Деякі прилади можуть навіть постачатись в комплекті з вже запрограмованою таблицею поганих блоків від виробника, оскільки деколи просто неможливо виробити безпомилкові пам'яті типу NAND.
Перший, вільний від помилок фізичний блок (блок № 0) завжди гарантує свою читабельність і не може бути пошкодженим. З цього випливає, що всі життєво важливі вказівники для розподілення пам'яті і впорядкування поганих блоків приладу повинні бути розміщені всередині цього блоку (зазвичай вказівник на погані таблиці блоків, і т. д.). Якщо прилад використовується, щоб завантажувати ОС, цей блок повинен містити Таблицю завантаження (Master Boot Record).
Коли запускати програмне забезпечення з пам'яті NAND, використовується стратегія віртуальної пам'яті: вміст пам'яті спочатку нумерується, або просто копіюється в розподілену пам'ять RAM, а тоді вже звідти виконується.
По цій причині деякі системи будуть використовувати комбінації пам'ятей NOR та NAND, де менша NOR пам'ять використовуватиметься як програмний ROM, а більша NAND пам'ять розбивається на розділи файловою системою, щоб зберігати різну інформацію. [ред.] Об'єм
Стандартні частини флеш пам'яті (індивідуальні внутрішні компоненти, або «чипи») дуже сильно відрізняються в об'ємі інформації, від кібіта до гібібітів кожна. Чипи часто з'єднують в один, щоб досягнути вищих ємностей для використання в таких приладах як iPod nano або SanDisk Sansa e200. Місткість флеш чипів дотримується закону Мура, оскільки вони розроблені тими самими процесами, що використовуються й для вироблення інших інтегрованих циклів. Проте в даній технології були також стрибки поза законом Мура через різні інновації.
У 2005 році Toshiba та SanDisk розробили флеш чип типу NAND, який міг містити 8 гібібітів інформації, використовуючи технологію MLC (багаторівневі комірки), яка зберігала 2 біти інформації в одній комірці. У вересні 2005 року компанія Samsung Electronics анонсувала, що вона розробила перший у світі 16 гібібітний чип.
У березні 2006 року Samsung анонсує флеш вінчестери з місткістю у 32 гібібіти, по суті з таким самим розміром, як і в найменших вінчестерах ноутбуків. А у вересні 2006 року, Samsung анонсувала результат виготовлення 32 гібібітних чипів, розміром в 40 нм. [2]
Для деяких продуктів флеш пам'яті, таких як карти пам'яті та USB пам'ять, на середину 2006 року 256Мб-тові і продукти меншої місткості сильно знецінились. Ємність 1Гб стала звичною для людей, які не використовують флеш пам'ять екстенсивно, але все більше і більше клієнтів закуповуються 2-ма та 4-ма Гігабайтними флеш приладами. Hitachi має конкурентноспроможний механізм вінчестера (називається Microdrive), який може поміститись всередині оболонки звичайної карточки CompactFlash. Його ємність — до 8Гб. BiTMicro пропонує 155 Гігабайтний, товщиною у 3.5 дюйми, твердий диск, названий «Edisk»'ом. [ред.] Швидкість
Флеш-пам'ять доступна у декількох швидкостях. Деякі визначають швидкість приблизно в 2 Мб/с, 12 Мб/с, і т. д. Проте інші карточки просто мають рейтинг 100×, 130×, 200×, і т. д. Для таких карток за 1× беруть швидкість 150 Кб/с. Це була швидкість, якою могли передавати інформацію перші CD прилади, і її запозичили флеш картки пам'яті. Хоча коли порівнювати 100× карточку до карточки, яка передає зі швидкістю в 12 Мб/с використовують такі перетворення: 150 КБ × 100 = 15 000 Кб/с
Щоб перетворити Кб в Мб, ділимо на 1024: 15 000Кб ÷ 1024 = 14.65 Мб/с
Хоча насправді 100x картки на 2.65 Мб/с швидші, ніж картки, які вимірюються у швидкості в 12 Мб/с. МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
|
Рис. 2. Типовая упрощенная схема интегрального стабилизатора напряжения
Интегральный стабилизатор напряжения имеет встроенную систему ограничения выходного тока. Для этого в схему включены резистор R3 и транзистор VT2. Если падение напряжения на R3 превысит величину, равную приближенно 0, 6 В, транзистор VT2 откроется и предотвратит дальнейшее увеличение базового тока транзистора VТ1, поэтому величина выходного тока стабилизатора ограничена уровнем
Iвых.макс = 0, 6В/R3.
При этом мощность, рассеиваемая на выходном регулирующем транзисторе VT1, равна
Pт = Iвых.макс(Uвх - Uвых).(1)
В случае короткого замыкания эта мощность значительно превысит предельную мощность для регулирующего транзистора, т.к. при этом выходное напряжение упадет от номинальной величины до нуля. Чтобы снизить мощность, рассеиваемую в этом случае транзистором, одновременно с уменьшением выходного напряжения нужно уменьшать уровень ограничения тока. При таком способе ограничения тока внешняя характеристика стабилизатора имеет неустойчивый участок. Она изображена на рис. 3. В случае значительного увеличения напряжения на регулирующем транзисторе происходит быстрый рост мощности, рассеиваемой на его коллекторном переходе. Это обусловлено тем, что соответственно возрастает разность напряжений (Uвх - Uвых), которая входит в выражение для мощности (1). Защита выходного транзистора от перегрева в этом случае достигается тем, что уровень ограничения тока Iвых.макс делают зависимым от разности напряжений (Uвх - Uвых). В схеме на рис. 2 для этой цели служат резистор R5 и стабилитрон VD2.
Рис. 3. Внешняя характеристика стабилизатора напряжения с защитой от перегрузки по току
Если разность напряжений (Uвх - Uвых) остается меньшей, чем напряжение стабилизации стабилитрона VD2, через резистор R5 ток не течет. В этом случае уровень ограничения тока остается равным 0, 6В/R3. Если же эта разность превысит величину напряжения стабилизации стабилитрона, то вследствие образования делителя напряжения на резисторах R5, R4 появляется положительное напряжение, приложенное к эмиттерному переходу транзистора VT2. При этом транзистор VT2 будет открываться при соответственно меньших токах через регулирующий транзистор VT1.
В последних моделях ИМС стабилизаторов напряжения все шире применяется тепловая защита от перегрузок. Так например, ADP3303 снабжен схемой, которая резко снижает выходной ток при нагреве кристалла до температуры 165°С.
Конденсатор Ск осуществляет необходимую частотную коррекцию схемы. В качестве дополнительной меры по предотвращению самовозбуждения следует включать на входе и выходе стабилизаторов конденсаторы емкостью 0, 1...10 мкФ. В последнее время на рынке появились стабилизаторы, так называемые, " Cap-free", которые не требуют подключения конденсаторов параллельно выходу. Примером может служить REG103 фирмы Burr-Brown.
Кроме стабилизаторов с фиксированным выходным напряжением выпускаются также регулируемые стабилизаторы напряжения (например, 142ЕН3 или 1168ЕН1). В схемах таких стабилизаторов отсутствует делитель напряжения R1, R2, а база транзистора VT4 подключена к выводу микросхемы для соединения с внешним делителем напряжения. Значительная часть ИМС регулируемых стабилизаторов (mА78G, 142ЕН4 и др.) имеет как минимум 4 вывода, поскольку ток собственного потребления микросхемы составляет единицы миллиампер и зависит от нагрузки. Поэтому его нельзя замкнуть через цепь внешнего делителя напряжения, поскольку это вызовет изменение напряжения на делителе при изменении тока нагрузки. Совершенствование схемотехники ИМС стабилизаторов позволило снизить этот ток до десятков микроампер и избавиться от четвертого вывода (LM317, LT1085 и др.).
В то же время, наличие специального вывода для подключения цепи обратной связи по напряжению позволяет обеспечить высокую стабильность напряжения на удаленной нагрузке (сделать его независимым от падения напряжения на соединительных проводах). Поэтому наряду с трехвыводными, выпускаются ИМС стабилизаторов с большим числом выводов (например, ADР3331, TPS70151 и др.) которые наряду со входом обратной связи имеют также управляющие входы для отключения нагрузки от стабилизатора и некоторые другие.
№3
