EEPROM и флэш-память

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

Флэш-память по определению относится к классу EEPROM (электрическое сти­рание), но использует особую технологию построения запоминающих ячеек. Сти­рание во флэш-памяти производится сразу для целой области ячеек (блоками или полностью всей микросхемы). Это позволило существенно повысить произво­дительность в режиме записи (программирования). Флэш-память обладает соче­танием высокой плотности упаковки (ее ячейки на 30 % меньше ячеек DRAM), энергонезависимого хранения, электрического стирания и записи, низкого потребле-

7.3. Энергонезависимая память________________________________________ 283

ния, высокой надежности и невысокой стоимости. Первые микросхемы флэш-памяти были предложены фирмой Intel в 1988 году и с тех пор претерпели суще­ственные изменения по архитектуре, интерфейсу и напряжению питания. Каждая ячейка флэш-памяти состоит всего из одного униполярного (полевого) транзистора. Ячейки организованы в матрицу; разрядность данных внешнего ин­терфейса — 8 или 16 бит (ряд микросхем имеет переключаемую разрядность). Чистые (стертые) ячейки содержат единицу во всех битах; при записи (програм­мировании) нужные биты обнуляются. Возможно последующее программирова­ние и уже записанных ячеек, но при этом можно только обнулять единичные биты, но не наоборот. В единичное состояние ячейки переводятся только при стирании. Стирание выполняется для всей матрицы ячеек; стирание одиночной ячейки невоз­можно. Чтение флэш-памяти ничем не отличается от чтения любой другой памя­ти — подается адрес ячейки, и через некоторое время доступа (десятки-сотни не) на выходе появляются данные. Запись выглядит несколько сложнее — для програм­мирования каждого байта (слова) приходится выполнять процедуру, состоящую из операций записи и считывания, адресованных к микросхеме флэш-памяти. Одна­ко при этом шинные циклы обращения к микросхеме являются нормальными для процессора, а не растянутыми, как для EPROM и EEPROM. Таким образом, в устройстве с флэш-памятью легко реализуется возможность перепрограммиро­вания без извлечения микросхем из устройства. Большинство микросхем флэш-памяти имеют интерфейс, аналогичный асинхронной статической памяти (SRAM), а при чтении он упрощается до интерфейса ROM/PROM/EPROM. Существуют версии с интерфейсом динамической памяти, асинхронным и синхронным, а также и со специальными интерфейсами, в том числе и 1²С. Первые микросхемы работали только при напряжении питания 5 В, а для программирования и стирания тре­бовали дополнительное питание V_PP = +12 В. Затем появились микросхемы всего с одним напряжением питания +5 В. Дальнейшее развитие технологии позволи­ло снизить напряжение питания до 2, 7-3, 3 В и 1, 65-2, 2 В, a V_PP — до 5, 3, 3, 2, 7 и даже 1, 65 В. В производстве микросхем используется технологические процес­сы с разрешением 0, 3, 0, 22, 0, 18 мкм (чем мельче ячейки, тем они экономичнее). Микросхемы первых выпусков (1990 г.) имели гарантированное число циклов стирания-программирования 10 000, современные — 100 000.

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

284________________________________ Глава 7. Интерфейсы электронной памяти

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

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

♦ Boot Block (BB) — массив разделен на несколько блоков разного размера, сти­раемых независимо, причем один из блоков имеет дополнительные средства за­щиты от стирания и записи;

♦ Flash File — массив разделен на несколько равноправных независимо стира­емых блоков обычно одинакового размера, что позволяет их называть микро­схемами с симметричной архитектурой (Symmetrical Architecture, SA).

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

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

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

♦ основной блок (Main Block) объемом 112 Кбайт (OOOOOh-lBFFFh);

♦ два блока параметров (Parameter Block) объемом по 4 Кбайт (1 COOOh-1 CFFFh и IDOOOh-lDFFFh);

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

7.3. Энергонезависимая память __________________________ 285

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

Выпускают и комбинированные микросхемы, например MT28C3214P2FL пред­ставляет собой комбинацию флэш-памяти 2 М х 16 и SRAM 256 К х 16. По организации матрицы ячеек различают архитектуры NOR и NAND. В тради­ционной организации NOR транзисторы на одном проводе объединяются своими стоками параллельно, как бы образуя логический элемент ИЛИ-НЕ (NOR — Not OR). Эта организация обеспечивает высокое быстродействие произвольного считывания, что позволяет исполнять программы прямо из флэш-памяти (не ко­пируя в ОЗУ) без потери производительности. В организации NAND несколько транзисторов разных ячеек соединяются последовательно, образуя логический элемент И-НЕ (NAND — Not AND), что дает высокую скорость последовательных обращений.

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

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

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

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

286________________________________ Глава 7. Интерфейсы электронной памяти

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

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

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

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