Потребность в энергонезависимой флэш-памяти растет пропорционально степени продвижения компьютерных систем в сферу мобильных приложений. Надежность, малое энергопотребление, небольшие размеры и незначительный вес являются очевидными преимуществами носителей на основе флэш-памяти в сравнении с дисковыми накопителями. С учетом постоянного снижения стоимости хранения единицы информации в флэш-памяти, носители на её основе предоставляют все больше преимуществ и функциональных возможностей мобильным платформам и портативному оборудованию, использующему такую память. Среди многообразия типов памяти, флэш-память на основе ячеек NAND является наиболее подходящей основой для построения энергонезависимых устройств хранения больших объемов информации.

В настоящее время можно выделить две основных структуры построения флэш-памяти: память на основе ячеек NOR и NAND. Структура NOR (рис.1) состоит из параллельно включенных элементарных ячеек хранения информации. Такая организация ячеек обеспечивает возможность произвольного доступа к данным и побайтной записи информации. В основе структуры NAND (рис.2) лежит принцип последовательного соединения элементарных ячеек, образующих группы (в одной группе 16 ячеек), которые объединяются в страницы, а страницы – в блоки. При таком построении массива памяти обращение к отдельным ячейкам невозможно. Программирование выполняется одновременно только в пределах одной страницы, а при стирании обращение производится к блокам или к группам блоков.

рис.1 Структура NOR	рис.2 Структура NAND

В результате различия в организации структуры между памятью NOR и NAND находят свое отражение в их характеристиках. При работе со сравнительно большими массивами данных процессы записи/стирания в памяти NAND выполняются значительно быстрее памяти NOR. Поскольку 16 прилегающих друг другу ячеек памяти NAND соединены последовательно друг с другом без каких-либо контактных промежутков, достигается высокая площадь размещения ячеек на кристалле, что позволяет получить большую емкость при одинаковых технологических нормах. В основе программирования флэш-памяти NAND лежит процесс туннелирования электронов. А поскольку он используется как для программирования, так и для стирания, достигается низкое энергопотребление микросхемы памяти. Последовательная структура организации ячеек позволяет получить высокую степень масштабируемости, что делает NAND-флэш лидером в гонке наращивания объемов памяти. Ввиду того, что туннелирование электронов осуществляется через всю площадь канала ячейки, интенсивность захвата заряда на единицу площади у NAND-флэш ниже, чем в других технологиях флэш-памяти, в результате чего она имеет более высокое количество циклов программирования/стирания. Программирование и чтение выполняются посекторно или постранично, блоками по 512 байт, для эмуляции общераспространенного размера сектора дисковых накопителей.

Основные отличия в параметрах флэш-памяти, изготовленной по различным технологиям, приведены в таблице 1.

Таблица 1. Сравнительные характеристики модулей памяти на основе ячеек NAND и NOR

Параметр	NAND	NOR
Емкость	~ 1 Гбит (2 кристалла в корпусе)	~ 128 Мбит
Напряжение питания	2.7 – 3.6 В	2.3 – 3.6 В
Ввод/вывод	х8 / х16	х8 / х16
Время доступа	50 нС (цикл последовательного доступа) 25 мкС (случайный доступ)	70 нС (30 пФ, 2.3 В) 65 нС (30 пФ, 2.7 В)
Скорость программирования (типовая)	- 200 мкС / 512 байт	8 мкС / байт 4.1 мС / 512 байт
Скорость стирания (типовая)	2 мС / блок (16 кБ)	700 мС / блок
Совокупная скорость программирования и стирания (типовая)	33.6 мС / 64 кБ	1.23 сек / блок (основной: 64 кБ)

Ведущим лидером в производстве NAND-флэш микросхем является фирма Hynix. Она производит несколько разновидностей микросхем памяти, различающихся по следующим ключевым параметрам:

• емкость (256 Мбит, 512 Мбит и 1 Гбит);
• ширина шины, 8 или 16 бит (х8, х16);
• напряжение питания: от 2.7 до 3.6 В (3.3 В устройства) или от 1.7 до 1.95 В (1.8 В устройства);
• размер страницы: в х8 устройствах (512 + 16 запасных) байт, в 16х – (256 + 8 запасных) слов;
• размер блока: в х8 устройствах (16 К + 512 запасных) байт, в 16х – (8 К + 256 запасных) слов;
• время доступа: случайный доступ 12 мкС, последовательный 50 нС;
• время программирования страницы 200 мкС;

Все микросхемы NAND-флэш от Hynix характеризуются типичным временем стирания блока 2 мС, имеют аппаратную защиту данных при переходных процессах по питанию и позволяют выполнять 100000 циклов записи/стирания. Гарантированное время сохранности данных составляет 10 лет. Важной особенностью микросхем памяти Hynix является их повыводная совместимость вне зависимости от емкости. Это позволяет очень легко улучшать потребительские характеристики конечного изделия. В таблице 2 приведены базовые параметры всех микросхем NAND-флэш фирмы Hynix.

Таблица 2. Сравнительный перечень микросхем NAND-флэш фирмы Hynix

Об"ем	Тип	Организаця	Напряжение питания	Диапазон рабочих температур*	Сккорость (ns)	Корпус
256Mbit		32Mx8	1.8V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		32Mx8	3.3V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		16Mx16	1.8V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		16Mx16	3.3V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
512Mbit		64Mx8	1.8V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		64Mx8	3.3V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		32Mx16	1.8V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		32Mx16	3.3V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
1Gb		128Mx8	1.8V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		128Mx8	1.8V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		128Mx8	3.3V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		128Mx8	3.3V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		64Mx16	1.8V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		64Mx16	1.8V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		64Mx16	3.3V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		64Mx16	3.3V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA

* - Диапазоны температур
C - Коммерческий диапазон рабочих температур 0...+70°C
E - Расширенный диапазон рабочих температур -25...+85°C
I - Индустриальный диапазон рабочих температур -40...+85°C

Более детально особенности микросхем памяти Hynix можно рассмотреть на примере кристаллов серии HY27xx(08/16)1G1M. На рис.3 показана внутренняя структура и назначение выводов этих приборов. Линии адреса мультиплексированы с линиями ввода/вывода данных на 8-ми или 16-ти разрядной шине ввода/вывода. Такой интерфейс уменьшает количество используемых выводов и делает возможным переход к микросхемам большей емкости без изменения печатной платы. Каждый блок может быть запрограммирован и стерт 100000 раз. Для увеличения жизненного цикла NAND-флэш устройств настоятельно рекомендуется применять код корректировки ошибок (ECC). Микросхемы имеют выход «чтение/занят» с открытым стоком, который может использоваться для идентификации активности контроллера PER (Program/Erase/Read). Поскольку выход сделан с открытым стоком, существует возможность подключать несколько таких выходов от разных микросхем памяти вместе через один «подтягивающий» резистор к положительному выводу источника питания.

Рис.3 Внутренняя организация микросхем NAND-флэш Hynix

Для оптимальной работы с дефектными блоками доступна команда «Copy Back». Если программирование какой-либо страницы оказалось неудачным, данные по этой команде могут быть записаны в другую страницу без их повторной отправки.

Микросхемы памяти Hynix доступны в следующих корпусах:

• 48-TSOP1 (12x20x1.2 мм) – рис.4;
• 48-WSOP1 (12х12х0.7 мм)
• 63-FBGA (8.5х15х1.2 мм, 6х8 массив шаровых контактов, 0.8 мм шаг)

Рис.4 NAND-флэш Hynix

Массив памяти NAND-структуры организован в виде блоков, каждый из которых содержит 32 страницы. Массив раздел на две области: главную и запасную (рис.5). Главная область массива используется для хранения данных, в то время как запасная область обычно задействована для хранения кодов коррекции ошибок (ECC), программных флагов и идентификаторов негодных блоков (Bad Block) основной области. В устройствах х8 страницы в главной области разделены на две полустраницы по 256 байт каждая, плюс 16 байт запасной области. В устройствах х16 страницы разделены на главную область объемом 256 слов и запасную объемом 8 слов.

Рис.5 Организация массива NAND-памяти

NAND-флэш устройства со страницами 528 байт / 264 слова могут содержать негодные блоки, в которых может быть одна и более неработоспособных ячеек, надежность которых не гарантируется. Помимо этого, дополнительные негодные блоки могут появиться в ходе эксплуатации изделия. Информация о плохих блоках записывается в кристалл перед отправкой. Работа с такими блоками выполняется по процедуре, детально описанной в справочном руководстве по микросхемам памяти Hynix.

При работе с микросхемами памяти выполняются три основных действия: чтение (рис.6), запись (рис.7) и стирание (рис.8).

Процедура чтения данных

Рис.6 Диаграмма процедуры чтения

Процедуры чтения данных из NAND-памяти могут быть трех типов: случайное чтение, постраничное чтение и последовательное построчное чтение. При случайном чтении для получения одной порции данных нужна отдельная команда.

Чтение страницы выполняется после доступа в режиме случайного чтения, при котором содержимое страницы переносится в буфер страницы. О завершении переноса информирует высокий уровень на выход «Чтение/занят». Данные могут быть считаны последовательно (от выбранного адреса столбца до последнего столбца) по импульсу сигнала на Read Enable (RE).

Режим последовательного построчного чтения активен, если на входе Chip Enable (CE) остается низкий уровень, а по входу Read Enable поступают импульсы после прочтения последнего столбца страницы. В этом случае следующая страница автоматически загружается в буфер страниц и операция чтения продолжается. Операция последовательного построчного чтения может использоваться только в пределах блока. Если блок изменяется, должна быть выполнена новая команда чтения.

Процедура записи данных

Рис.7 Диаграмма процедуры записи

Стандартной процедурой записи данных является постраничная запись. Главная область массива памяти программируется страницами, однако допустимо программирование части страницы с необходимым количеством байт (от 1 до 528) или слов (от 1 до 264). Максимальное число последовательных записей частей одной и той же страницы составляет не более одной в главной области и не более двух в резервной области. После превышения этих значений необходимо выполнить команду стирания блока перед любой последующей операцией программирования этой страницы. Каждая операция программирования состоит из пяти шагов:

1. Один цикл на шине необходим для настройки команды записи страницы.
2. Четыре шинных цикла требуются для передачи адреса.
3. Выдача данных на шину (до 528 байт / 264 слов) и загрузка в буфер страниц.
4. Один цикл на шине необходим для выдачи команды подтверждения для старта контроллера PER.
5. Выполнение контроллером PER записи данных в массив.

Процедура стирания блока

Рис.8 Диаграмма процедуры стирания

Операция стирания выполняется за один раз над одним блоком. В результате её работы все биты в указанном блоке устанавливаются в «1». Все предыдущие данные оказываются утерянными. Операция стирания состоит из трех шагов (рис.8):

1. Один цикл шины необходим для установки команды стирания блока.
2. Только три цикла шины нужны для задания адреса блока. Первый цикл (A0-A7) не требуется, поскольку верны только адреса с А14 по А26 (старшие адреса), А9-А13 игнорируются.
3. Один цикл шины необходим для выдачи команды подтверждения для старта контроллера PER.

Помимо Hynix микросхемы NAND-памяти выпускаются еще несколькими производителями, среди которых весьма большую номенклатуру и объем продаж изделий имеет компания Samsung. Она производит две базовые линейки микросхем памяти NAND Flash и One NAND™. Модули памяти семейства One NAND™ представляют собой одиночный кристалл памяти со стандартным интерфейсом NOR-флэш, основанный на массиве ячеек NAND-флэш.

Ассортимент выпускаемых компанией Samsung изделий более широк, чем у Hynix. Представлены модули емкостью от 4 Мбит до 8 Гбит, работающие в коммерческом и индустриальном температурных диапазонах. Доступны как 8-ми, так и 16-разрядные модификации на разные диапазоны питающих напряжений: 1,65…1,95 В или 2,7…3,6 В. Выпускаемые Samsung изделия имеют развитые аппаратные возможности защиты данных: защиту от записи для BootRAM, защитный режим для Flash-массива и защиту от случайной записи при включении и выключении.

В остальном устройство микросхем памяти Hynix и изделий семейства NAND Flash от Samsung практически идентично. В этой ситуации предпочтительным для потребителя вариантом является продукция того производителя, рыночная стоимость изделий которого наиболее приемлема.

Высокое быстродействие при считывании последовательных потоков данных предопределяет широкую сферу применимости NAND-флэш. Весьма популярным и перспективным рынком для памяти такого типа является рынок твердотельных накопителей для шины USB. В таблице 3 отражены возможности производимых в настоящее время микросхем NAND-флэш применительно к этой сфере. Помимо этого, наиболее выгодным оказывается использование такой памяти в MP3-плеерах, цифровых фотоаппаратах, компьютерах - наладонниках и в другом подобном оборудовании.

Таблица 3. Преимущества и недостатки использования NAND-флэш в твердотельных накопителях

Категория		Содержимое
Возможности	Преимущества	Хранилище данных, которые могут быть переданы через USB
		Малый размер, легкость создания портативных устройств
		Нет ограничений в объеме памяти
		Безопасное хранение данных, физически более надежное в сравнении в HDD
		Поддержка функции «горячей» установки Plug&Play
		Быстрая скорость передачи: USB 1.1: максимум до 12 Мбод, USB 2.0: максимум 480 Мбод
		Превосходная совместимость со стандартизованным USB интерфейсом
		Возможность питания от USB порта (500 мА, 4,5…5,5 В)
	Недостатки	Необходимость в программном обеспечении в операционной системе хост-контроллера
		Необходимость в использовании чипсета USB-хоста
		Высокая стоимость в сравнении с HDD сравнимой емкости
Емкость продукта		От 16 Мбит до 8 Гбит
Скорость передачи	Запись	До 13 Мб/с под USB 2.0 у карты CF от SanDisk
	Чтение	До 15 Мб/с под USB 2.0 у SanDisk
Применение		ПК (настольные, переносные), DVC,PDA, сотовые телефоны и пр.
Ведущие производители, использующие флэш-память		M-Systems, Lexar Media, SanDisk и др.
Ассоциации		USB-IF (форум конструкторов USB), UTMA (ассоциация универсальной транспортабельной памяти)

Всем доброго дня!
Сегодняшняя статья положит начало новому, небольшому циклу статей, посвященному хранению информации, различным типам памяти, способам записывания/считывания информации и всему, что с этим связано 😉 И начнем мы с устройства хорошо нам всем знакомой Flash-памяти.

Что из себя вообще представляет Flash-память? Да просто обычная микросхема, ничем внешне не отличающаяся от любой другой. Поэтому может возникнуть резонный вопрос – а что там внутри и как вообще происходят процессы сохранения/считывания информации.

Итак, сердцем многих устройств памяти является полевой транзистор с плавающим затвором. Гениальнейшее изобретение 70-х годов 20-го века. Его отличие от обычных полевых транзисторов заключается в том, что между затвором и каналом, прямо в диэлектрике, расположен еще один проводник – который и называют плавающим затвором. Вот как все это выглядит:

На рисунке мы видим привычные нам сток-исток-затвор, а также расположенный в диэлектрике дополнительный проводник. Давайте разберемся как же это устройство работает.

Создадим между стоком и истоком разность потенциалов и подадим положительный потенциал на затвор. Что тогда произойдет? Правильно, через полевой транзистор, от стока к истоку потечет ток. Причем величина тока достаточно велика для того, чтобы “пробить” диэлектрик. В результате этого пробоя часть электронов попадет на плавающий затвор. Отрицательно заряженный плавающий затвор создает электрическое поле, которое начинает препятствовать протеканию тока в канале, в результате чего транзистор закрывается. И если отключить питание транзистора, электроны с плавающего затвора никуда не денутся и его заряд останется неизменным на долгие годы.

Но, конечно же, есть способ разрядить плавающий затвор. Для этого надо всего лишь подать на “основной” затвор напряжение противоположного знака, которое и “сгонит” все электроны, в результате чего плавающий затвор останется не заряженным.

Собственно так и происходит хранение информации – если на затворе есть отрицательный заряд, то такое состояние считается логической единицей, а если заряда нет – то это логический ноль.

С сохранением информации разобрались, осталось понять как нам считать информацию из транзистора с плавающим затвором. А все очень просто. При наличии заряда на плавающем затворе его электрическое поле препятствует протеканию тока стока. Допустим при отсутствии заряда мы могли подавать на “основной” затвор напряжение +5В, и при этом в цепи стока начинал протекать ток. При заряженном плавающем затворе такое напряжение не сможет заставить ток течь, поскольку электрическое поле плавающего затвора будет ему мешать. В этом случае ток потечет только при напряжении +10В (к примеру =)). Таким образом, мы получаем два пороговых значения напряжения. И, подав, к примеру +7.5В мы сможем по наличию или отсутствию тока стока сделать вывод о наличии или отсутствии заряда на плавающем затворе. Вот таким образом и происходит считывание сохраненной информации.

Как все это связано с Flash-памятью? А очень просто – полевой транзистор с плавающим затвором является минимальной ячейкой памяти, способной сохранить один бит информации. И любая микросхема памяти состоит из огромного количества расположенных определенным образом транзисторов. И вот теперь пришло время рассмотреть основные типы Flash-памяти. А именно я бы хотел обсудить NOR и NAND память.

Оба этих типа памяти построены на основе транзисторов с плавающим затвором, которым мы сегодня уделили немало времени) А принципиальное отличие состоит в том, каким образом соединены эти транзисторы.

Конструкция NOR использует двумерную таблицу проводников. Проводники называют линией битов и линией слов. Все стоки транзисторов подключаются к линии битов, а все затворы к линии слов. Рассмотрим пример для лучшего понимания.

Пусть нам надо считать информацию из какой-то конкретной ячейки. Эта ячейка, а точнее этот конкретный транзистор, подключен затвором на одну из линий слов, а стоком на одну из линий битов. Тогда мы просто подаем пороговое напряжение на линию слов, соответствующую затвору нашего транзистора и считываем его состояние как в том примере, что мы рассмотрели чуть выше для одной ячейки.

С NAND все несколько сложнее. Если возвращаться к аналогии с массивом, то ячейки NAND-памяти представляют собой трехмерный массив. То есть к каждой линии битов подключен не один, а сразу несколько транзисторов, что в итоге приводит к уменьшению количества проводников и увеличению компактности. Это как раз и является одним из главных преимуществ NAND-памяти. Но как же нам считать состояние определенного транзистора при такой структуре? Для понимания процесса рассмотрим схему:

Как видно из схемы, одна линия битов соответствует нескольким ячейкам. И важной особенностью является следующее: если хотя бы один из транзисторов закрыт, то на линии битов будет высокое напряжение. Вот смотрите:

Действительно, низкий уровень на линии битов будет только тогда, когда вся цепочка транзисторов окажется открытой (вспоминаем курс, посвященный полевым транзисторам 😉).

С этим вроде бы понятно, возвращаемся к нашему вопросу – как же считать состояние конкретного транзистора? А для этого недостаточно просто подать на линию слов (на затвор транзистора) пороговое напряжение и следить за сигналом на линии битов. Необходимо еще чтобы все остальные транзисторы были в открытом состоянии. А делается это так – на затвор нашего транзистора, состояние которого нам нужно считать, подается пороговое напряжение (как и в случае с NOR-памятью), а на затворы всех остальных транзисторов в этой цепочке подается повышенное напряжение, такое чтобы независимо от состояния плавающего затвора транзистор открылся. И тогда считав сигнал с линии битов мы узнаем в каком состоянии интересующий нас транзистор (ведь все остальные абсолютно точно открыты). Вот и все)

Такая вот получилась статейка сегодня) Разобрались мы с принципом работы и основными типами Flash, а также с устройством и принципом работы NAND и NOR-памяти. Надеюсь, что статья окажется полезной и понятной, до скорых встреч!

Модуль поиска не установлен.

Немного о флэш-памяти

Сегодня такой раздел (модуль, элемент - можете называть ее как угодно), как флэш-память, является неотъемлемой частью практически всех комплектующих компьютера (будь то звуковая карта, винчестер, модем, магнитооптические накопители или CD-ROM), использующих в своей работе память, да и не только компьютера (!). Но что же на самом деле представляет собой флэш-память? Этому и другому посвящена данная статья.

Флэш-память является довольно важным разделом, в котором хранятся обновляемые программы и модули программ. Используется флэш-память в самых различных системах, даже в BIOS, сотовых телефонах, пейджерах и т.д. Использование флэш-памяти для хранения различных параметрических данных позволяет не только повысить производительность той или иной системы, но и дает возможность увеличить ее надежность и понизить стоимость. Например, в модемах широко распространены параметрические блоки флэш-памяти, благодаря которым осуществляется работа модема как автоответчика, и при этом можно оставить сообщение даже при выключенном компьютере. Что касается сотовых телефонов, то в них модули флэш-памяти используются для хранения телефонных номеров, учета времени, идентификатора пользователя и многого другого. Флэш-память применяется даже на автомобилях в системах управления двигателем и по-дачи и нормирования топлива, ведя учет не только работы, но и возникших неполадок.

Технология модулей флэш-памяти

По работе флэш-память сравнима с модулями оперативной памяти компьютера. Флэш-память модифицируется в системе на электронном уровне. Но в отличие от оперативной памяти флэш-память энергонезависима. Т.е. она работает наподобие блока постоянного запоминающего устройства и способна хранить информацию и данные долгосрочно даже после отключения питания. Кроме того, если в оперативную память можно записать (и стереть из нее) информацию побайтно, т.е., например, целым файлом, то при работе флэш-памяти такого не происходит. Вся информация записывается и стирается на модуле флэш-памяти байт за байтом. И наконец, последнее отличие - чтобы записать в оперативную память информацию, предыдущую стирать не нужно, потому что при записи новых данных старые автоматически стираются. На блоке флэш-памяти сначала нужно удалить старую информацию, а затем уже можно записывать новую.

Работа флэш-памяти содержит только три операции - запись или программирование, чтение, стирание. На каждую из операций требуется определенное время. Например, для чтения одного параметрического блока затрачивается примерно 60 нс., а для записи 9 мкс. На операцию стирания информации в среднем затрачивается от 0,6 до 4,5 секунды. Это самая долгая операция.

Программирование флэш-памяти - это, так сказать, замена "1" на "0", а стирание - замена "0" на "1". В качестве "0" и "1" во флэш-памяти используются блоки, которые имеют фиксированные адреса. Каждый блок содержит несколько ячеек, в которых и располагается информация. При записи различной информации количество ячеек постоянно меняется. При стирании информации на модуле флэш-памяти стираются сами блоки. Их стирание влечет за собой удаление всех ячеек, находящихся в блоке.

Модули флэш-памяти имеют ограниченный срок службы. Но несмотря на это, микросхемы Flash Memory Boot Block (такое они имеют название) должны выдерживать не менее 100 тысяч циклов перезаписи при напряжении 5 вольт. Одним циклом перезаписи считается законченный цикл операций записи и стирания одного и того же блока информации объемом не менее 8 Кб. Естественно, что на микросхему за раз можно записать гораздо больше информации, чем 8 Кб, поэтому ресурс микро-схемы зависит не только от цикла перезаписи, но и от объема перезаписываемой информации и от частоты (периодичности) ее обновления.

Для записи и стирания информации применяются специальные программные методы и алгоритмы. Они применяются из-за того, что отдельную ячейку из блока удалить невозможно. Программные алгоритмы помогают осуществить эмуляцию перезаписи байта, используя два параметрических блока размером 8 Кб.

Структура блочных (параметрических) данных в микросхеме

В микросхемах флэш-памяти для более удобной организации данных в блоках разработана особая структура данных, которая представляет собой форму связных списков. Каждая запись, заносимая в этот список, состоит из двух полей. В первое поле заносится значение параметра заносимой записи. Во втором поле указывается адрес для следующей записи этого же параметра. Первое поле обозначается как "Parameter". После "Parameter" стоит номер, например Parameter1. Также в списке имеется ParameterХ, который является, так сказать, переменным указателем, в котором содержится адрес первой записи данного параметра. Если какая-либо ячейка блока содержит значение Parameter1, то в этой ячейке указан адрес первой записи параметра, который содержит первое значение Parameter1 и адрес второй записи Parameter1. Вторая запись, в свою очередь, содержит последнее значение данного параметра и адрес третьей записи.

В последней записи, обычно в поле "Next_Record", заносится код, который обозначается как FFh. Он указывает на то, что последующих записей больше нет. Этот код представляет собой значение стертого байта по умолчанию.

Вследствие вышесказанного, процесс записи информации во флэш-память или какое-либо изменение параметров происходит следующим образом - программа находит первую свободную ячейку в каком-нибудь блоке, новое значение заносится в поле значения новой записи, а чтобы запись была закончена, программа обновляет поле Next_Record. Причем обновление этого поля происходит в пре-дыдущей записи. В результате получается, что каждая последующая запись имеет связь с предыдущей. Такие структуры и особенности записи информации называются связными списками.

При чтении данных программе совсем не обязательно просматривать все списки. Да такого и не происходит. Программа просто находит последнее значение данного параметра и по его указателю читает нужные коды.

В таблице ниже приведен пример структуры самого простого связного списка. В данном примере (то же самое относится к любой другой структуре) Parameter_Value является переменным и зависит в большей степени от специфики и объема заносимой информации.

Значение	Адрес	Параметр
01H	Parameter1	Parameter1 Pointer Variable
03H	Parameter2	Parameter2 Pointer Variable
05H	Parameter3	Parameter3 Pointer Variable
F8H	01H	Parameter1 Value = F8H
07H	02H	Parameter1 Next_Record = 07H
22H	03H	Parameter2 Value = 22H
09H	04H	Parameter2 Next_Record = 09H
44H	05H	Parameter3 Value = 44H
FFH	06H	Parameter3 Next_Record = FFH = latest
55H	07H	Parameter1 Value = 55H
0BH	08H	Parameter1 Next_Record = 0BH
F2H	09H	Parameter2 Value = F2H
FFH	0AH	Parameter2 Next_Record = FFH = latest
F4H	0BH	Parameter1 Value = F4H
FFH	0CH	Parameter1 Next_Record = FFH = latest

В более новых разработках технологии записи информации во флэш-память в списки добавляется еще один параметр, который указывает только на то, что определенная запись параметра является самой последней (или обновленной). Поле для этого параметра получило название "Parameter ID". Для считывания в этом случае программа вынуждена проходить (и считывать) каждый параметр, пока не "наткнется" на последнее значение просматриваемого параметра. Но несмотря на это, применение такого способа является альтернативой традиционному способу.

Процесс записи или запоминания информации может происходить до того момента, пока не останется свободного места в модуле флэш-памяти и пока будет допустимо записать полный законченный параметрический блок. При этом в нем должно остаться место для полной записи. После заполнения последнего блока, для того чтобы списки были связными, последнее значение каждого параметра заносится во второй блок.

Очистка флэш-памяти

После полного заполнения всего допустимого объема блока флэш-памяти запись последующей информации в него, как говорилось выше, становится невозможной. Для этого следует очистить флэш-память.

Очистка модуля флэш-памяти представляет собой стирание одного, нескольких или всех параметрических блоков. При этом процесс стирания происходит за счет поэтапной перезаписи и стирания информации. Например, для того чтобы стереть первый параметрический блок, программе необходимо информацию из него перенести во второй блок, а уже после этого происходит стирание первого. Причем во второй блок переносится не вся информация, содержащаяся в первом блоке, а только действительные значения параметров, относящиеся к последующим блокам.

Но даже здесь есть свои особенности! Выше говорилось, что на процесс стирания параметрического блока выделяется до 4,5 секунды. Для такой операции это довольно много. Кроме того, при работе системы столько времени может не оказаться. Все же стирание флэш-памяти не основная и не единственная задача, выполняемая системой. Поэтому программами для работы с флэш-памятью предусмотрена функция приостановки процесса стирания. Приостановка стирания включается в тех случаях, когда системе необходимо прочитать данные, находящиеся в других параметрических блоках. Команду приостановки стирания дает программа, управляющая модулем флэш-памяти. При выполнении этой программы модуль находится в подвешенном состоянии. Аналогичным примером может послужить "зависание" компьютера при работе. Но в случае с флэш-памятью "зависание" относится только к задаче стирания (и к тому же программа в любую секунду может продолжить эту операцию), а что касается чтения, то для этого нет никаких преград. После того как система прочитает данные, расположенные в других блоках, программа в модуль (микросхему) посылает сигнал о продолжении операции стирания. Стирание параметрического блока будет продолжено с того момента, где оно было прервано. Но пока операция стирания блока не будет полностью закончена, новые данные на его место записать будет невозможно.

Возможно, в будущем будет разработан алгоритм, который позволит осуществить запись новой информации после приостановки стирания. Но пока его нет, и приходится довольствоваться тем, что есть.

Кроме всех перечисленных нюансов работы флэш-памяти, она еще и использует определенное количество оперативной памяти.

В связи с этим возникают определенные требования к системе.

Что же нужно для полноценной работы флэш-памяти?

Объем оперативной памяти, используемый при работе флэш-памяти, зависит, в первую очередь, от характера и сложности заложенной в программу базы работы модуля. Программа, отвечающая за работу модуля флэш-памяти, разделена на подпрограммы, которые выполняют каждая свою функцию. Но в оперативную память загружаются не подпрограммы, а вся программа целиком. Размер кода каждой подпрограммы (подпрограммы для операции записи, стирания, чтения) составляет от 512 байт до 1 Кб.

Еще одним весомым аргументом является то, что программа примерным объемом в 15 Кб загружена в сам модуль флэш-памяти, а в оперативную память выгружается только 1..2 Кб.

Поэтому можно сделать вывод, что первым и довольно весомым требованием к системе будет размер оперативной памяти. Для качест-венной полноценной работы модуля флэш-памяти (и системы в целом) необходимо минимум 16 Мб (а лучше 32 Мб).

Для быстрой и стабильной работы кроме оперативной памяти необходимо выбрать правильный режим питания. Существуют модули, работающие при питании 3,3, 5 и 12 вольт. Большинство современных модулей ориентировано на питание от 12- вольтового источника. Такое напряжение необходимо, в част-ности, для операций внутрисистемного стирания информации и ее записи. Но некоторые микросхемы, ориентированные на 12 вольт, способны работать от источника напряжением 5 вольт. При этом работа флэш-памяти при одном и другом номинале напряжения ничем не отличается. К таким микросхемам флэш-памяти относятся, например, модули семейства Smart Voltage.

Отдельно хочется остановиться на флэш-памяти, ориентированной на 3,3 вольта. Такие модули выпускаются объемом до 4 Кбита. Они позволяют не только улучшить работу приборов, но и оптимизировать энергопотребление. Технологию модулей флэш-памяти на 3,3 вольта разработала фирма Smart Voltage. В этой технологии объединены три параметра - низ-кое энергопотребление, применение только одного номинала напряжения и довольно быстрое программирование. И все это объединено в один "прибор".

Если сравнить модуль флэш-памяти, разработанный для напряжения только на 5 вольт и для напряжений на 3,3 и на 5 вольт, то лучшим окажется модуль с двойным номиналом. Потому флэш-память с двойным напряжением выполняет операции записи и стирания гораздо быстрее. Например, запись блока составляет 10..13 мкс, а запись - 0,5..1 сек.

Еще одним преимуществом модуля с двойным питанием является то, что его можно переключить в режим напряжением 3 вольта. Такой режим в основном используется на микросхемах, установленных в сотовых телефонах и другой портативной технике.

К сожалению, в процессе перепрограммирования модуля флэш-памяти происходит потеря питания во время обновления. Этой проблемой обладают практически все выпускаемые модули. Но производители, выпуская свою продукцию, справляются с ней. При записи информации добавляются дополнительные строки к параметрическим и блочным записям. Обычно этими параметрами являются разделы под названием "Parameter_Status". При этом в параметре указывается два бита, один из которых содержит код, свидетельствующий о начале обновления параметра, другой - о конце обновления. В результате каждую секунду бит конца обновления изменяется. Если произойдет обрыв питания, то при восстановлении его программа получит данные о конце обновления (где был прерван процесс) из раздела Parameter_Status. При получении информации из раздела программа "знает", что при выполнении процесса произошла ошибка и ее нужно исправить.

Особенность работы флэш-памяти

При работе модуля флэш-памяти для выполнения операций записи, стирания и чтения данных необходимо определить время выполнения этих задач. Для этого в алгоритме работы микросхемы предусмотрена динамическая характеристика.

Динамическая характеристика не только должна обеспечить расчет времени на выполнение определенной задачи, но и учесть время задержки при работе как самого прибора, так и программы. Расчет времени на выполнение, например, чтения, зависит от длины записи каждого параметра и от количества этих параметров. Длину записи и количество параметров необходимо рассчитать до того, как будет произведена запись. Из этих расчетов вытекает полное время чтения данных.

Кроме того, для выполнения каждой операции в оперативную память нужно перегрузить код программы, находящийся в микросхеме флэш-памяти.

Так же необходимо рассчитывать полное время записи, зависящее от длины записи и количества параметров записей.

За все это отвечает динамическая характеристика, которая при работе во многом упрощает работу самого модуля флэш-памяти и программы, управляющей всеми операциями.

Новая технология

Все модули флэш-памяти допускают поэтапное (байт за байтом) программирование. Сейчас уже разработан алгоритм программирования на уровне битов, т.е. запись битов или группы битов за один сеанс. Алгоритм подразумевает программирование одиночных битов путем маскирования остальных.

Новая технология не только позволяет сэкономить время работы модуля, но и снижает стоимость флэш-памяти.

Флэш-память фирмы AMD

Пример микросхем (напряжением 12 вольт)

Микросхема памяти	Организация	Время доступа, нс
Am28F256A	32K x 8	70-200
Am28F512A	64K x 8	70-200
Am28F010A	128K x 8	90-200
Am28F020A	256K x 8	90-200

Флэш-память с 5-вольтовым программированием

Микросхема памяти	Организация	Время доступа, нс	Число выводов
Am29F010	128K x 8	45-120	32
Am29F100	128K x 864K x 16	70-150	44, 48
Am29F200	256K x 8128K x 16	70-150	44, 48
Am29F040	512K x 8	55-150	32
Am29F400	512K x 8256K x 16	70-150	44, 48
Am29F080	1M x 8	85-150	44, 48
Am29F800	1M x 8512K x 16	85-150	40, 44
Am29F016	2M x 8	90-150	48

Флэш-память с 3-вольтовым программированием

Технические характеристики флэш-памяти AMD:

• ток питания: 20-30 mA при чтении и 30-50 mA при программировании/стирании;
• ток потребления в статическом режиме: 25-90 mkA (режим КМОП), 1 mA (режим ТТЛ);
• количество циклов программирования/стирания: 100 тыс.;
• время хранения информации: 10 лет при 150°С, 20 лет при 125°С;
• температурные режимы работы:
  • 0..+70°С (обычный режим);
  • -40..+85°С (индустриальный режим);
  • -55..+128°С (расширенный режим).

Планы Samsung - скоро появится новая флэш-память!

По планам фирмы Samsung Electronics в скором будущем появится гигабитная флэш-память. В исследовательской лаборатории Samsung уже создан прототип чипа для модуля флэш-памяти объемом 1 гигабит. По размерам чип имеет толщину всего лишь 0,15 микрона(!). Если выпускать стандартные платы, то благодаря этому чипу в них будет умещаться огромное количество информации.

Как обещает фирма Samsung, новый чип скоро выйдет в серийное производство. Представители фирмы утверждают, что на него можно будет записать до 500 фотографий разрешением 1280 х 1024. А это действительно очень много! Попробуйте на своем жестком диске создать 500 таких фотографий - убедитесь сами!

На базе таких чипов фирма Samsung Electronics планирует производить модули флэш-памяти, которые будут применяться в основном (в первое время) в цифровых фотоаппаратах и камерах. Возможно, после реализации этих планов производители станут выпускать память и для комплектующих компьютеров. Производители также уверяют, что производство их чипов сразу же изменит технологию производства флэш-памяти во всем мире. Кроме того, производители собираются (опять же на основе этого чипа) разработать модули памяти объемом 256 и 512 Мб (!). Исследования разработки уже проводятся. Новинку - флэш-память размером 1 гигабит - планируется выпустить уже в 2001 году.

Вывод

Флэш-память разработана и применяется для того, чтобы упростить работу системы, в которой она применяется, а также повысить ее производительность. За счет обновления информации через флэш-память система (например, модем, звуковая карта и т.д.) в гораздо меньшей степени использует оперативную память компьютера. Тем самым повышается производительность не только одного прибора, но и всего компьютера в целом.

Для работы флэш-памяти в основном применяются программные методы эмуляции побайтовой работы, и при этом используется только два блока памяти.

Использование микросхем флэш-памяти также позволяет снизить стоимость оборудования. Флэш-память, используя блочную архитектуру, полностью заменила собой микро-схемы, стираемые целиком.

В статье рассказывается о принципах построения микросхем памяти и дается обзор различных видов памяти разрабатываемых и производимых компанией STMicroelectronics, одного из мировых лидеров по производству электронных компонентов, в том числе микросхем па-мяти, и обладающей уникальной технологией производства Flash-памяти и программируе-мых систем памяти на одном кристалле.

Все статьи цикла:

1. Виды микросхем памяти компании STMicroelectronics

Уважаемый читатель! В последнее время на страницах специализированных журналов часто встречаются публикации посвященные микросхемам памяти различных производителей, в том числе и обзорные статьи. Вместе с тем, далеко не всегда при перечислении компаний-производителей микросхем памяти обращается должное внимание на одного из миро-вых лидеров в этой области - компанию STMicroelectronics. Для восполнения пробелов в данном вопросе и предназначена серия статей, первая из которых предлагается Вашему вниманию.

В настоящее время компания STMicroelectronics (ST) разрабатывает и производит в промышленных масштабах следующие виды микросхем памяти:

• EPROM - широко представлена память с ультрафиолетовым стиранием и с однократным программированием, в том числе стандартные микросхемы памяти OTP и UV EPROM, усовершенствованные микросхемы памяти OTP и UV EPROM семейства Tiger Range, микросхемы нового типа памяти FlexibleROM, разработаного для замены Mask-ROM, а также микросхемы памяти PROM и RPROM компании WSI (США), вошедшей в состав ST;
• EEPROM и SERIAL NVM (последовательная энергонезависимая долговременная память) - из последовательной перепрограммируемой энергонезависимой памяти выпуска-ются микросхемы памяти EEPROM с различным шинным интерфейсом, последовательная FLASH-память, стандартные микросхемы памяти специального назначения (ASM) и бескон-тактные (CONTACTLESS MEMORIES) микросхемы памяти;
• Flash-память - в производстве у ST находятся микросхемы Flash-памяти: индустриального стандарта с различным питанием, микросхемы Flash-памяти с усовершенствованной архитектурой для различных областей применения, микросхемы с разнородной памятью и микросхемы Flash-памяти семейства "LightFlash";
• SRAM - ST производит асинхронные маломощные микросхемы памяти SRAM с различным питанием и быстродействием;
• NVRAM - имеются решения для SRAM с батарейной поддержкой по питанию и генераторов импульсов времени (часов истинного времени);
• PSM - в соответствии со стратегическим направлением создания "систем на кристал-ле", ST разрабатывает и производит микросхемы программируемых систем памяти, которые обеспечивают комплексное системное решение памяти для микроконтроллеров и разработок на сигнальных процессорах (DSP);
• Smartcard - в наличии большой ассортимент микросхем для Smartcard и систем обес-печения безопасности.

Виды и основные серии микросхем памяти производимых компанией STMicroelectron-ics представлены на рисунке 1.

Рис. 1. Виды и основные серии микросхем памяти компании STMicroelectronics

EPROM, EEPROM и Flash - в чем разница?

Первыми технологиями энергонезависимой памяти были EPROM (стираемая программи-руемая постоянная память) и EEPROM (электронно-перепрограммируемая постоянная память). В EPROM данные могут быть записаны в память один раз и, впоследствии, считываться любое число раз. Если EPROM имеет специальный корпус с прозрачным окном, то содержимое памяти может быть стерто ультрафиолетовым облучением, а затем перепро-граммировано с новыми данными.

EEPROM более гибко. Она обеспечивает многократное перепрограммирование ячеек памяти, но плата за эту гибкость - более сложная структура ячейки памяти, что увеличивает стоимость и понижает плотность хранения. По этой причине EPROM используется главным образом в качестве удобной памяти для хранения больших объемов кодов программы, а EEPROM для хранения параметров и другой информации, которая нуждается в регулярном обновлении.

В последние годы в полупроводниковой промышленности наблюдается быстрый рост в секторе электронной Flash-памяти, которая находит все большее применение во многих устройствах телесвязи, автомобильной электронике, компьютерах и бытовых приборах, но которую не многие изготовители полупроводниковых изделий могут производить в промышленных объемах и недорого для потребителя.

Flash-память относится к классу полупроводниковой памяти с долговременным хранением (NON-VOLATILE) или энергонезависимой от внешнего питания. До ее появления наибо-лее востребованными видами памяти на рынке была DRAM (динамическое ОЗУ с произвольной выборкой) и SRAM (статическое ОЗУ с произвольной выборкой). Несмотря на их энергозависимость это обусловлено возможностью обеспечения высокой скорости записи, что обязательно для оперативной памяти. Кроме того, малые размеры ячеек памяти DRAM позволяют получить высокую плотность для хранения, которая сегодня обычно составляет 256 Mбит и до 1 Гбит в перспективе. Преимуществом SRAM является меньшие непроизво-дительные затраты, а также (для некоторых типов) более высокая скорость чтения - обычно на порядок быстрее чем DRAM. DRAM и SRAM - одни из основных компонентов персональных компьютеров.

Технология Flash первоначально использовалась как вариант замены EPROM. Подобно EEPROM, Flash-память электрически стираема и фактически не имеет ограничений по числу циклов перепрограммирования, но, в отличие от EEPROM, микросхемы Flash-памяти дешевле в производстве и могут иметь очень большие емкости для хранения. Flash-память, в отличие от EEPROM, не надо стирать полностью перед перезаписью, что придает ей дополни-тельное преимущество. Она обычно организована в виде множества секторов, каждый из ко-торых может быть индивидуально перепрограммирован.

Развитие технологии Flash-памяти осуществляется по двум основным направлениям: уменьшение размеров ячеек за счет новых технологических процессов изготовления (0.25µ, 0.18µ, 0.13µ, 0.10µ ...) и оптимизации архитектуры памяти для конкретных приложений. По сравнению с DRAM Flash-память труднее в разработке и производстве. Поэтому ее развитие по плотности отстает от DRAM примерно на одну градацию. То есть, если DRAM произво-дится по 0.18µ технологии, то Flash-память будет производиться по 0.25µ технологии.

Преследуя честолюбивые замыслы, компания ST начала разрабатывать и производить Flash-память по новым технологиям опережающими темпами с целью выравнивая ее технологии с технологией DRAM. С этой же целью был создан Центр в Agrate (Италия). Надежды компании производить Flash с плотностью памяти не хуже чем у DRAM основаны на внедрении методов многоразрядной ячейки. Поэтому в ближайшей перспективе следует ждать появление микросхем Flash-памяти с емкостью до 1 Гбит.

Второй подход, который ST успешно реализует - развитие микросхем специального назначения с архитектурами, которые в максимально возможной степени оптимизированы для конкретных условий эксплуатации. Здесь многое зависит от тесного взаимодействия с ведущими производителями современной электронной аппаратуры и тенденциям ее развития. В этом направлении ST имеет значительное преимущество по сравнению с другими производителями Flash-памяти, особенно в области компьютерной периферии, средств связи и автоэлектроники.

Бурный рост применения Flash-памяти объясняется стремительным развитием электронных устройств и носит объективный характер. Например, на рынке сотовых телефонов сначала использовались микросхемы Flash-памяти с небольшой емкостью (1…4 Mб) для хранения кода. Затем функциональные возможности сотовых телефонов резко возросли вплоть до обеспечения Internet, GPS, интерактивной выдачи новостей, телевизионной конфе-ренц-связи и CD музыки. Каждая новая сервисная функция требует увеличения количества Flash-памяти для хранения кода, емкости которой за это время возросли до 128 Мб. Сейчас сотовый телефон оснащается фотокамерой, биометрическим сенсором, возможностью загрузки музыки и программ. Это означает, что если сейчас для сотового телефона в основном достаточно иметь 8 Мб Flash-памяти, то к концу 2004 года полностью будут задействованы имеющиеся сегодня возможности в 128 Мб Flash-памяти.

Более важно то, что стандартные микросхемы Flash-памяти не являются лучшим выбором для этих продуктов. Взаимоисключающие потребности в максимизации характеристик, уменьшения стоимости и потребляемой мощности могут быть осуществлены только частично и применительно для конкретного применения в сотовых телефонах.

Подобный рост можно предсказать и для различного рода приставок (Set-top box) и для рынка DVD. И здесь, чтобы соответствовать потребностям и требованиям этого рынка, который особенно чувствителен к стоимости и качественным характеристикам, нужна специализированная Flash-память с архитектурой оптимизированной для этого рынка (например, x32 архитектура с двумя банками памяти и 100 MГц характеристикой группового считывания), которая будет использоваться скорее чем стандартные микросхемы Flash-памяти.

Работа на опережение потребностей рынка помогла STMicroelectronics разработать новые изделия типа сверхбыстрого (25 нс!) времени выборки в микросхемах Flash-памяти для жесткого диска компьютера и первую в мире Flash-память на 32 Мбит, комбинирующую ар-хитектуру с двумя банками памяти и быстрый доступ с полнофункциональным режимом по-страничного доступа при питании 1,8 В для следующего поколения сотовых телефонов.

Flash, EPROM и EEPROM используют один и тот же базовый механизм плавающего затвора для запоминания данных, но различные методы для записи и чтения данных. В каждом случае, базовая ячейка памяти состоит из одного МОП-транзистора с двумя затворами: регулирующего, который связан со схемой управления чтения - записи, и плавающего, который локализован между регулирующим затвором и каналом МОП-транзистора (часть МОП-транзистора между истоком и стоком). Схема базовой ячейки EPROM приведена на рисунке 2.

Рис. 2. Базовая ячейка EPROM

В отличие от стандартного МОП-транзистора, в микросхемах памяти имеются два затвора, которые полностью электрически изолированы слоем диоксида кремния от остальной части электрической схемы. Так как плавающий затвор физически очень близок к каналу МОП-транзистора, то даже очень малый электрический заряд на нем оказывает влияние на электрическое сопротивление транзистора. Применяя соответствующие сигналы к регули-рующему затвору, и измеряя изменение сопротивления транзистора, можно определить на-личие электрического заряда на плавающем затворе. Поскольку плавающий затвор электрически изолирован от остальной части схемы, требуются специальные методы для переноса на нем заряда. Один из методов состоит в заполнении канала МОП-транзистора электронами высокой энергии, прикладывая относительно высокое напряжение к регулирующему затвору и стоку МОП-транзистора. Некоторые из таких "горячих" электронов имеют достаточную энергию для пересечения потенциального барьера между каналом и плавающим затвором. При снятии высокого напряжения они остаются захваченными плавающим затвором. Имен-но такой метод используется для программирования ячейки памяти в EPROM и Flash-памяти.

Эта методика, известная как канальная инжекция горячими электронами (CHE), может использоваться для переноса заряда на плавающий затвор, но она не обеспечивает его сброса. Технология EPROM достигает этого за счет облучения всей матрицы памяти ультрафиолетовым светом, который придает захваченным электронам достаточно энергии для выхода из плавающего затвора. Это достаточно простой и эффективный метод стирания.

Второй метод удаления заряда основан на использовании так называемого туннельного эффекта. Электроны покидают плавающий затвор при прикладывании к истоку МОП-транзистора достаточно большого напряжения, которое заставляет электроны "прокладывать туннель" поперек изолирующей оксидной пленки к истоку. Число электронов, которые могут прокладывать туннель поперек изоляционного слоя в данном времени, зависит от толщины слоя и величины подаваемого напряжения. Для реальных уровней напряжения и ограниченного времени стирания изоляционный слой должен быть очень тонок - обычно 10 нм (100 Ангстрем).

Рис. 3. Базовая ячейка EEPROM

В микросхемах памяти EEPROM туннельный эффект используется для "зарядки" и "разрядки" плавающего затвора согласно полярности прикладываемого туннельного напряжения (рисунок 3). Поэтому, несмотря на то, что Flash-технология не просто прививка механизма стирания EEPROM на технологию EPROM, Flash-память может рассматриваться как запоминающее устройство, которое программируется подобно EPROM и стирается подобно EEPROM.

Наиболее существенное отличие EPROM от других двух видов памяти находится в толщине оксидной пленки, которая отделяет плавающий затвор от истока. В EPROM - это обычно 20…25 нм и этого достаточно много для реализации туннельного эффекта при прак-тических напряжениях. У Flash-памяти (рисунок 4) толщина туннельной оксидной пленки составляет 10 нм, и ее качество оказывает существенное влияние на характеристики и надежность микросхемы памяти. Это одна из основных причин того, что только относительно немногие производители электронных компонентов овладели технологией Flash-памяти, а еще меньшее количество способно квалифицировано надежно комбинировать Flash-технологию с другими КМОП компонентами для создания изделий типа микроконтроллеров со встроенной Flash-памятью.

Традиционно, плавающий затвор использовался для хранения одного информационного разряда, который считывался путем сравнения порогового напряжения МОП-транзистора с опорной величиной, но появились более сложные методы чтения - записи, которые позво-ляют различать более двух энергетических состояний плавающего затвора, что эквивалентно хранению двух и более битов на одном плавающем затворе. Это крупное научно-техническое достижение, потому что хранение двух битов в одной ячейке позволяет удвоить емкости микросхем памяти, не изменяя их физических размеров. STMicroelectronics - одна из немногих компаний, которая может предложить микросхемы Flash-памяти с архитектурой на основе многоразрядной ячейки.

Рис. 4. Базовая ячейка Flash

Хотя все микросхемы Флэш-памяти используют одну и ту же базовую запоминающую ячейку, имеется множество видов их связей в пределах всей матрицы памяти. Наиболее известными архитектурами являются NOR (НЕ) и NAND (И-НЕ). Эти условия традиционной комбинаторной логики определяют топологию матрицы памяти и виды связи к отдельным ячейкам при обращении к ним для чтения и записи.

Первоначально, имелось ясное различие между этими двумя существенно различными архитектурами. NOR устройства демонстрировали существенно более быстрые времена считывания (предоставляя лучшие возможности для хранения кода), а NAND устройства предлагали более высокие плотности хранения (так как ячейка NAND приблизительно на 40 % меньше чем ячейка NOR). Однако появление технологии многоразрядной ячейки сдвигает баланс явно к NOR архитектурам. Кроме того, надо учитывать, что в NOR архитектуре уси-лители считывания сигнала имеют прямой доступ к каждой ячейке памяти, а в NAND архитектуре сигнал усилителя считывания должен пройти через множество других ячеек, каждая из которых может вносить определенную погрешность. Поэтому маловероятно, что схема NAND может быть с двухразрядной ячейкой памяти, а для NOR архитектуры следует ожидать появления в скором времени четырехразрядной ячейки и ее преимущество окончательно утвердиться.

2. Микросхемы памяти EPROM компании ST

Компания STMicroelectronics (ST) производит весьма конкурентоспособные микросхемы памяти EPROM. Непрерывные усовершенствования технологии производства приводят к расширению их возможностей, более высокой емкости и понижению напряжения питания. Компания находится в числе мировых лидеров-производителей памяти типа OTP и EPROM с ультрафиолетовым стиранием, которая удобна для разработки, производства и для замены масочной ROM ввиду того, что они программируются на завершающей стадии производства.

Выпускаемые микросхемы обладают емкостью от 64 кбит до 64 Мбит при питании 5 и 3 В, достаточным быстродействием, различными корпусами, в том числе и для поверхностного монтажа. Организация памяти устройств может быть типа x8, x16 и x8/x16. Расшифровка обозначений микросхем памяти ST вида OTP и UV EPROM приведена на Рис.5.

Рис. 5. Маркировка микросхем EPROM ST

Набор продукции включает стандартные микросхемы с питанием 5 В и 3,3 В, усовершенствованные микросхемы семейства Tiger Range с питанием 3 В (2,7…3,6 В) и микросхемы нового семейства FlexibleROM™.

Микросхемы этих типов памяти доступны в FDIP керамических корпусах с окошком и PDIP пластиковых двурядных корпусах, а также в корпусах PLCC и TSOP для поверхностного монтажа. Основные параметры стандартных микросхем памяти EPROM приведены в таблице 1.

Таблица 1. OTP и UV EPROM

Обьем	Обозначение	Описание	Корпус
Питание 5 В
64 кб	M27C64A	64 кб (x8), 100 - 200 нс	FDIP28W, PLCC32
256 кб	M27C256B	256 кб (x8), 45 - 150 нс
512 кб	M27C512	512 кб (x8), 45 - 150 нс	FDIP28W, PDIP28, PLCC32, TSOP28
	M27C516	512 кб (x16), 35 - 100 нс	PLCC44, TSOP40B
1 Мб	M27C1001	1 Мб (x8), 35 - 150 нс
	M27C1024	1 Мб (x16), 35 - 150 нс
2 Мб	M27C2001	2 Мб (x8), 35 - 100 нс	FDIP32W, PDIP32, PLCC32, TSOP32A
	M27C202	2 Мб (x16), 45 - 100 нс	FDIP40W, PDIP40, PLCC44, TSOP40B
4 Мб	M27C4001	4 Мб (x8), 35 - 150 нс	FDIP32W, PDIP32, PLCC32, TSOP32A
	M27C4002	4 Мб (x16), 45 - 150 нс
	M27C400	4 Мб (x8/x16), 50 - 100 нс	FDIP40W, PDIP40
8 Мб	M27C801	8 Мб (x8), 45 - 150 нс	FDIP32W, PDIP32, PLCC32, TSOP32A
	M27C800	8 Мб (x8/x16), 50 - 120 нс
16 Мб	M27C160	16 Мб (x8/x16), 50 - 120 нс	FDIP42W, PDIP42, PLCC44, SO44
32 Мб	M27C322	32 Мб (x16), 50 - 100 нс	FDIP42W, PDIP42, PSDIP42
	M27C320	32 Мб (x8/x16), 50 - 100 нс	TSOP48, SO44
64 Мб*	M27C642	64 Мб (x16), 80 - 100 нс	FDIP42W, PDIP42
	M27C640	64 Мб (x8/x16), 80 - 100 нс	TSOP48
Питание 3,3 В
16 Мб	M27V160	16 Мб (x8/x16), 100 - 150 нс	FDIP42W, PDIP42, SO44
32 Мб	M27V322	32 Мб (x16), 100 - 150 нс	FDIP42W, PDIP42

* в разработке

Усовершенствованная низковольтная серия Tiger Range

Для низковольтной серии Tiger Range компания STMicroelectronics использовала новейшую технологию OTP и UV EPROM. Структурные усовершенствования, связанные с толщиной основных слоев, позволили значительно улучшить электрические характеристики. Уменьшение на 25% толщины оксидного слоя затвора позволило снизить пороговое напряжение ячейки и увеличить скорость выборки при питании от 2,7 В и выше во всем температурном диапазоне от -40 до +85°C.

Улучшая электрические характеристики, ST стремиться обеспечить потребителя изделиями с новыми качествами и поэтому рекомендует заказчикам заменить "V" серию с питанием 3…3,6 В на серию "W" - Tiger Range, которая имеет лучшие характеристики при питании 2,7…3,6 В. Временные параметры для серии Tiger Range гарантируются двойным тестированием микросхем при напряжении 2,7 В и 3 В. Время доступа при питании 2,7 В маркируется на микросхеме и более быстрое время доступа специфицируется в описании.

Времена доступа для напряжения питания выше 2,7 В являются рабочими. Состав семейства микросхем Tiger Range приведен в таблице 2.

Таблица 2. OTP и UV EPROM типа Tiger Range, питание 3 В

Объем	Обозначение	Описание	Корпус
256 кб	M27W256	256 кб (x8), 80 нс (70нс/3В) - 100 нс	FDIP28W, PDIP28, PLCC32, TSOP28
	M27W512	512 кб (x8), 80 нс (70нс/3В) - 100 нс	FDIP28W, PDIP28, PLCC32, TSOP28
1 Мб	M27W101	1 Мб (x8), 80 нс (70нс/3В) - 100 нс	FDIP32W, PDIP32, PLCC32, TSOP32A
	M27W102	1 Мб (x16), 80 нс (70нс/3В) - 100 нс	FDIP40W, PDIP40, PLCC44, TSOP40B
2 Мб	M27W201	2 Мб (x8), 80 нс (70нс/3В) - 100 нс	FDIP32W, PDIP32, PLCC32, TSOP32A
	M27W202	2 Мб (x16), 100 нс (80нс/3В)	FDIP40W, PDIP40, PLCC44, TSOP40B
4 Мб	M27W401	4 Мб (x8), 80 нс (70нс/3В) - 100 нс	FDIP32W, PDIP32, PLCC32, TSOP32A
	M27W402	4 Мб (x16), 100 нс (80нс/3В) - 120 нс	FDIP40W, PDIP40, PLCC44, TSOP40A
	M27W400	4 Мб (x8/x16), 100 нс (80нс/3В) - 120нс	FDIP40W, PDIP40, PLCC44
8 Мб	M27W801	8 Мб (x8), 100 нс (80нс/3В) - 120 нс	FDIP32W, PDIP32, PLCC32, TSOP32A
	M27W800	8 Мб (x8/x16), 100 нс (90нс/3В)	FDIP42W, PDIP42, PLCC44

Семейство UV и OTP EPROM Tiger Range характеризуется сверхмалым потреблением, высокой скоростью работы и одновременно быстрым доступом с коротким временем программирования. Время программирования микросхем одинаково как для пословного, так и побайтного режимов программирования. Для самых последних микросхем с плотностью 4 Мб и 8 Мб скорость программирования доведена до 50 мкс на слово или байт. Данные по потреблению и производительности серии Tiger Range приведены в таблице 3.

Таблица 3. Tiger Range

Обозначение	Объем (Организация)	Потребление	Скорость выборки	Скорость программирования
M27W256	256 кб (x8)	15мA при 5MГц	80 нс (70нс/3В)	100 мкс/байт
M27W512	512 кб (x8)	15мA при 5MГц	80 нс (70нс/3В)	100 мкс/байт
M27W101	1 Мб (x8)	15мA при 5MГц	80 нс (70нс/3В)	100 мкс/байт
M27W102	1 Мб (x16)	15мA при 5MГц	80 нс (70нс/3В)	100 мкс/слово
M27W201	2 Мб (x8)	15мA при 5MГц	80 нс (70нс/3В)	100 мкс/байт
M27W202	2 Мб (x16)	20мA при 5MГц	100 нс (80нс/3В)	100 мкс/слово
M27W401	4 Мб (x8)	15мA при 5MГц	80 нс (70нс/3В)	100 мкс/байт
M27W402	4 Мб (x16)	15мA при 5MГц	100 нс (80нс/3В)	100 мкс/слово
M27W400	4 Мб (x8/x16)	20мA при 8MГц	100 нс (80нс/3В)	50 мкс/слово
M27W801	8 Мб (x8)	15мA при 5MГц	100 нс (80нс/3В)	50 мкс/байт
M27W800	8 Мб (x8/x16)	30мA при 8MГц	100 нс (90нс/3В)	50 мкс/слово

Микросхемы низковольтной серии Tiger Range полностью совместимы по штырькам со стандартной серией 5В UV и OTP EPROM. Это гарантирует их полное соответствие для приложений, в которых микропроцессорное питание заменяется с 5 В на 3 В (таблица 4).

Таблица 4. Совместимость UV и OTP EPROM по питанию

3 В Обозначение	Объем (Организация)	5 В Обозначение
M27W256	256 кб (x8)	M27C256B
M27W512	512 кб (x8)	M27C512
M27W101	1 Mб (x8)	M27C1001
M27W102	1 Mб (x16)	M27C1024
M27W201	2 Mб (x8)	M27C2001
M27W202	2 Mб (x16)	M27C202
M27W401	4 Mб (x8)	M27C4001
M27W402	4 Mб (x16)	M27C4002
M27W400	4 Mб (x8/x16)	M27C400
M27W801	8 Mб (x8)	M28C801
M27W800	8 Mб (x8/x16)	M27C800

Уже много лет сохраняется тенденция к более высоким плотностям памяти. Отвечая требованиям потребителей, компания ST постоянно развивает как свои технологии производства, так и сами компоненты.

Гибкость EPROM, ее более низкие производственные издержки и возможность программирования на завершающей стадии производства ведут к тому, что многие заказчики теперь предпочитают использовать данный вид памяти вместо масочной ROM. Диапазон памяти EPROM ST включает много типов микросхем, которые могут легко использоваться взамен масочной ROM (таблица 5).

Таблица 5. Замена Mask ROM высокоплотной EPROM

Обозначение	Организация	Скорость выборки	Потребление
Питание 5 В
M27C801	x8	45 нс	35 мА при 5 MГц
M27C800*	x8/x16	50 нс	70 мА при 8 MГц
M27C160*	x8/x16	50 нс	70 мА при 8 MГц
M27C322*	x16	50 нс	50 мА при 5 MГц
M27C320*	x8/x16	50 нс	70 мА при 8 MГц
Питание 2,7 В (min)
M27W801*	x8	100 нс (80 нс/3В)	15 мА при 5 MГц
M27W800*	x8/x16	100 нс (90 нс/3В)	30 мА при 8 MГц

* заменяющие Mask ROM

Для примера рассмотрим более подробно 32 Mбит микросхему M27C320 (4M x 8 или 2M x 16), которая предназначена в основном для игральных автоматов, DVD проигрывателей и многих других приложений, где для микропроцессорных систем требуется много памяти для данных или программных кодов.

Логическая схема данного устройства приведена на рис. 6, а режимы работы представлены в таблице 6. В режиме чтения требуется одно питающее напряжения. Все входы совместимы c TTL схемами за исключением Vрр и A9 с напряжением 12 В для электронной подписи производителя микросхемы.

Рис. 6. Логическая схема M27C320

Таблица 6. Режимы работы M27C320

M27C320 имеет два вида режима чтения - пословный и побайтный. Вид чтения определяется уровнем сигнала на выводе BYTE. При высоком уровне сигнала на этом штырьке выбирается считывание по словам и контакт Q15A-1 используется для вывода данных по Q15. При низком уровне сигнала на BYTE устанавливается режим побайтового считывания и кон-такт Q15A-1 используется для адресации входа по A-1.

M27C320 имеет две функции управления и для получения данных на выходах они обе должны быть логически активны. Кроме того, должен быть выбран вид считывания по словам или по байтам. Выход E используется для выбора устройства и управления потреблением. Блокирующий выход (G) управляет выходом и используется для управления считыванием с ячейки данных к выходным контактам независимо от выбора устройства.

M27C320 имеет дежурный режим, в котором потребление понижается до 50 - 100 мкА. M27C320 переходит в этот режим при наличии высокого уровня логического сигнала на входе Е. В дежурном режиме все выходы находятся в состоянии высокого импеданса независимо от сигнала на входе G.

Поскольку EPROM обычно используются в больших массивах памяти, эти схемы имеют функцию двухлинейного управления, которая обеспечивает обращение к памяти нескольких устройств. Такая функция в M27C320 позволяет экономно расходовать пространство памяти и предупреждает конфликтные ситуации при обращении к памяти нескольких устройств.

Так как микросхемы памяти EPROM обычно работают в условиях неустановившихся переходных напряжений в цепях питания, для сглаживания тока рекомендуется на каждой схеме использовать керамический конденсатор емкостью 0,1 мкФ между Vcc и Vss и один электролитический конденсатор емкостью 4,7 мкФ между Vcc и Vss на каждые восемь микросхем. Этот конденсатор должен быть установлен около точки подключения электропитания на плате.

В поставляемых микросхемах M27C320 все ячейки памяти находятся в состоянии "1". Данные вводятся путем выборочного программирования "0" в требуемых местоположениях разрядов. Программируется только ноль, но в информационном слове могут присутствовать как единицы, так и нули. M27C320 находится в режиме программирования при напряжении на входе Vpp равном 12,5 В, на G - напряжение высокого логического уровня (Vih) и на Е подаются импульсы низкого логического уровня (Vil).

Запрограммированные данные поступают параллельно по 16 бит на контакты вывода данных. В режиме программирования уровни сигналов для адресации и входных данных должны соответствовать TTL логике, а питающее напряжение Vcc находиться в пределах 6,25 В ± 0,25 В.

Алгоритм программирования PRESTO III обеспечивает программирование всего массива с гарантированным временем до 100 с. Программирование слова осуществляется последовательностью импульсов 50 мкс на слово с проверкой.

Имеется возможность программирования нескольких M27C320 параллельно с различными данными. При этом используется высокий уровень логического сигнала на входе Е для запрета программирования. Проверка программирования осуществляется считыванием. Имеется режим доступа к электронной подписи производителя. Более подробные сведения приводятся в описании микросхемы .

Технология ST в отношении EPROM непрерывно совершенствуется. Новые перспективы открываются с внедрением новой архитектуры микросхем памяти, основанной на использовании многобитных ячеек памяти для получения высоких плотностей записи, начиная с емкости в 64 Mбит. Кроме того, каждая новая разработка содержит несколько фотолитогра-фических новшеств, улучшающих электрические характеристики микросхем.

С входом в состав STMicroelectronics компании WAFERSCALE INC. (США) открылись возможности поставок микросхем памяти типа PROM (programmable ROM) / RPROM (re-programmable ROM). Основные параметры семейства высокоэффективных PROM и RPROM микросхем памяти выполненных по КМОП технологии компании WSI приведены в таблице 7. Эти микросхемы доступны в трех температурных диапазонах работы: коммерческом (от 0 до +70°C), индустриальном (от -40 до +85°C) и военном (от -55 до +125°C). Кроме того, некоторые компоненты изготавливаются по стандарту для военного назначения (SMD), в том числе и EPROM (Таблица 8).

Таблица 7. КМОП PROM/RPROM компании WSI

Обозначение	Описание	Корпуса
WS57C191C	16 кб (2 кб x 8), 25 - 55 нс	CERDIP24, 0.6"; PLDCC28; PDIP24, 0.6"
WS57C291C	16 кб (2 кб x 8), 25 - 55 нс	PDIP24, 0.3"; CERDIP24, 0.3"
WS57LV291C	16 кб (2 кб x 8), 70 - 90 нс	CERDIP24, 0.3"
WS57C45 (заказ)	16 кб (2 кб x 8), 25 - 45 нс	CERDIP24, 0.3"; PDIP24, 0.3"; CERDIP24, 0.3"
WS57C43C	32 кб (4 кб x 8), 25 - 70 нс	CLLCC28; CERDIP24, 0.6"; PLDCC28; PDIP24, 0.3"; CERDIP24, 0.3"
WS57C49C	64 кб (8 кб x 8), 25 - 70 нс	CLLCC28; CERDIP24, 0.6"; Ceramic Flatpack24; PLDCC28; CLDCC28; PDIP24, 0.3"; CERDIP24, 0.3"
WS57C51C	128 кб (16 кб x 8), 35 - 70 нс
WS57C71C	256 кб (32 кб x 8), 35 - 70 нс	CLLCC32; CERDIP28, 0.6"; PLDCC32; CLDCC32; CERDIP28, 0.3"

Таблица 8. Military EPROM

Обозначение	Описание	Корпуса
WS57C128FB	128 кб (16 кб x 8), 35-70 нс	CLLCC32; CERDIP28, 0.6"; PLDCC32; CLDCC32
WS57C256F	256 кб (32 кб x 8), 35-70 нс	CLLCC32; CERDIP28, 0.6"; PLDCC32; CLDCC32; PDIP28 0.6"; CERDIP28, 0.3"
27C010L	1 Мб (128 кб х 8), 35 - 200 нс	CERDIP32, CLLCC32

Самой последней разработкой компании STMicroelectronics в области электрически про-граммируемых ПЗУ является семейство FlexibleROM™, которое может использоваться как простая замена для любого ПЗУ. Это одноразовое программируемое семейство, изготавливаемое по 0,15 мкм технологии компании ST, доступно потребителю с начальной емкостью памяти в 16 Mбит. Новое семейство микросхем памяти "FlexibleROM" относится к типу энергонезависимой памяти и предназначено для хранения программного кода. "FlexibleROM" - идеально подходит для использования вместо масочного ПЗУ (MaskROM) и перехода от Flash-памяти на ПЗУ после отладки программы, если в дальнейшем не планируется изменения программного кода.

Эти микросхемы памяти оптимизированы для хранения программного кода и могут использоваться в игровых приставках, DVD проигрывателях и в приставках к телевизору, а также в офисных устройствах автоматизации и для компьютерной периферии.

Семейство FlexibleROM имеет все необходимое, чтобы заменить масочное ПЗУ и обеспечить выгоды потребителю благодаря своей гибкости и стоимости модернизации. Основные характеристики микросхем данного семейства приведены в таблице 9.

Таблица 9. Семейство FlexibleROM

Микросхемы доступны как в "пустых", так и в предварительно запрограммированных версиях. Имеющаяся возможность предварительного программирование позволяет потребителю сократить время производственного цикла. Например, по сравнению с масочным ПЗУ экономия по времени составляет до двух недель при использовании программирования с кодом клиента при изготовлении микросхемы.

Благодаря технологии, основанной на флэш, время программирования также существенно уменьшено. Микросхемы FlexibleROM обеспечены типовой способностью многословной программы с большим потоком данных, что позволяет программировать устройство с емкостью 64 Mбит всего за девять секунд.

Еще одним преимуществом по сравнению с другими одноразово программируемыми ПЗУ является высокая производительность программирования, поскольку 100% функциональных возможностей массива памяти проверяются в ходе тестирования.

Микросхемы семейства памяти FlexibleROM используют питание напряжением от 2,7 В до 3,6 В для операций чтения и от 11,4 В до 12,6 В для программирования. Устройства организованы как x16-бит, при включении питания по умолчанию устанавливается режим памя-ти "Чтение", так что они могут читаться как ПЗУ (ROM) или ЭПЗУ (EPROM).

В настоящее время доступны образцы M27W016 (DIL или SM корпус) и M27W064 (SM корпус) и массовое производство уже начато. Разворачивается производство M27W032 (SM корпус), а 128-Mбит и 256-Mбит версии планируется начать производить в конце 2003 года.

Основные особенности памяти "FlexibleROM":

• Стандартный набор команд.
• Стандартная цоколевка масочного ПЗУ.
• Стандартные корпуса масочного ПЗУ.
• Полная тестируемость при программировании.
• Прямая замена для любого ПЗУ.
• Очень быстрое программирование (в 30 раз быстрее стандартной OTP).
• Кодирование по заказу клиента быстрее, чем масочного ПЗУ (1-2 недели).
• Бесплатный сервис предпрограммирования.
• Эффективнее при использовании чем ROM и OTP.
• Способность быстрого "в системе" однократного программирования.
• Легкость модернизации емкости памяти.

В завершение краткого обзора микросхем памяти UV и OTP EPROM приведем некоторые данные по соответствию микросхем данного вида компании ST с микросхемами памяти других производителей (Таблица 10).

Таблица 10. Кросс-таблица EPROM

AMD	ST
Am27C128	57C128FB
Am27C256	57C256F
Am27H256	57C256F
ATMEL	ST
AT27C010/L	27C010L
AT27HC256/L	57C256F
AT27HC256R/R	57C256F
CYPRESS	ST
CY7C261	57C49C
CY7C263	57C49C
CY7C264	57C49C
CY7C271	57C71C
CY7C274	57C256F
CY7C291	57C291C
CATALYST	ST
CAT27128A	57C128FB
CAT27256	57C256F
CAT27HC256	57C256F
HITACHI	ST
HN27C256HG	57C256F
INTEL	ST
27C128B	57C128FB
27C256	57C256F
MICROCHIP	ST
27HC256	57C256F
OKI	ST
MSM27C256	57C256F
SANYO	ST
LA7620	57C64F
SGS-T	ST
M27128/A	57C128FB
M27256	57C256F
SHARP	ST
LH57126	57C128FB
SIGNETICS	ST
27HC128	57C128FB
TI	ST
TMS27C128	57C128FB
TOSHIBA	ST
TMM27128`	57C128FB
TMM27256	57C256F

В следующих выпусках журнала будут рассмотрены и другие виды микросхем памяти ST.

Литература:

1. Data sheet M27C320, STMicroelectronics, 2000

В статье описаны микросхемы флэш-памяти объемом 4 Гбита K9K4G08Q0M-YCB0/YIB0, K9K4G16Q0M- YCBO/YIBO, K9K4G08U0M- YCBO/YIBO, K9K4G16U0M-YCB0/YIB0. Эти микросхемы используются в качестве энергонезависимой памяти в бытовых, промышленных и компьютерных устройствах. В цифровых видео- и фотокамерах, диктофонах и автоответчиках эти микросхемы используются в качестве памяти для изображения и звука в составе твердотельных флэш-дисков.

Микросхемы флэш-памяти разделяются на группы по напряжению питания и архитектуре (табл. 1). В табл. 2 представлено назначение выводов микросхем флэш-памяти.

Таблица 1

Таблица 2

№ выводов	Обозначение вывода (тип микросхемы)	Назначение выводов
29-32; 41-44	I/O(0-7) (K9K4G08X0M-Y)	Ввод/вывод данных. Выводы используются для ввода/вывода адресов ячеек, данных или команд в течение циклов считывания/записи. Когда микросхема не выбрана, или обращение к выводам запрещено, они переводятся в состояние высокого импеданса
26, 28, 30, 32, 40, 42, 44, 46, 27, 29, 31, 33, 41, 43, 45, 47	I/0(0-15) (K9K4G16X0M-Y)
16	CLE	Разрешение фиксации команды. Высокий уровень сигнала на этом выводе переключает мультиплексоры на входах I/O по направлению регистра команд. Запись команды в регистр производится по фронту сигнала WE
17	ALE	Разрешение фиксации адреса. Высокий уровень сигнала на этом входе переключает мультиплексоры на входах I/O по направлению адресного регистра. Загнись команды в регистр производится по фронту сигнала WE
9	СЕ	Выбор микросхемы. Низкий уровень на входе разрешает операцию чтения данных, а высокий, при отсутствии каких-либо операций, переводит микросхему в дежурный режим. Во время операций записи/стирания, высокий уровень на этом входе игнорируется
8	RE	Разрешение чтения. Вход управляет последовательным выводом данных, когда активна передача данных на шину ввода/вывода. Данные действительны после спада сигнала RE и некоторого нормированного времени выборки. Сигнал RE также увеличивает внутренний счетчик адреса столбца на единицу
18	WE	Разрешение записи. Вход управляет записью в порт ввода/вывода. Команды, адрес и данные фиксируются по фронту импульса WE
19	WP	Блокировка записи. Выход обеспечивает защиту от случайной записи/стирания во время включения питания. Внутренний генератор программирующего напряжения блокирован, когда на выводе WP активный низкий уровень
7	R/B	Свободно/занято. Выход R/B указывает состояние микросхемы. Низкий уровень указывает, что выполняется операция записи, стирания или чтения с произвольной выборкой, высокий уровень устанавливается после завершения этих операций. Этот выход с открытым стоком не переходит к состоянию высокого импеданса, когда микросхема не выбрана, или когда выходы заблокированы
38	PRE	Разрешение чтения при включении питания. Выход PRE управляет операцией авточтения, выполняемой при включении питания. Авточтение при включении питания разрешено, если вывод PRE подключен к выводу VCC
12	VCC	Напряжение питания
13	VSS	Общий

Микросхемы K9K4GXXX0M имеют емкость 4 Гбита с резервом 128 Мбит (фактическая емкость составляет 4 429 185 024 бита) и архитектуру 512 Мбит х 8 или 256 Мбит х 16 с надежностью до 1 млн. циклов записи/стирания. 8-разрядные микросхемы организованы в 2112 х 8 страниц, а 16-разрядные - в 1056 х 16 столбцов. Во всех микросхемах есть резервные биты, располагающиеся в 128 строках с адресами 2048-2111 у 8-разрядных микросхем, или в 64 столбцах с адресами 1024-1055 - у 16-разрядных. Для организации передачи данных в течение операции чтения/записи страницы между ячейками памяти и портами ввода-вывода у этих микросхем имеются последовательно связанные друг с другом регистры данных размером 2112 байт для 8-разрядной, или 1056-словный для - 16-разрядной микросхемы и регистры кэша соответствующего объема. Массив памяти строится из 32 связанных ячеек, находящихся на разных страницах и объединенных структурой И-НЕ. 32 ячейки, объединяющие 135168 структур 2И-НЕ и расположенные на 64 страницах, составляют блок. Совокупность 8- или 16-разрядных блоков составляет массив памяти.

Операция чтения выполняется постранично, в то время как операция стирания - только поблочно: 2048 отдельно стираемых блоков пс 128 Кбайт (для 8-разрядных микросхем), или блоков по 64 Кслов (для 16-разрядных микросхем). Стирание отдельных битов невозможно.

Запись страницы в микросхемы выполняется за 300 мкс, стирание - за 2 мс на блок (128 Кбайт - для 8-разрядных, или на 64 Кслов - для 16-разрядных микросхем). Байт данных считывается со страницы за 50 нc.

Для записи и контроля данных в микросхемах имеется встроенный контроллер, обеспечивающий весь процесс, включая, если требуется, повторение операций внутренней проверки и разметки данных. У микросхем K9K4GXXX0M реализована система обеспечения проверки информации с исправлением ошибок и выбраковкой ошибочных данных е реальном времени.

Микросхемы имеют 8 или 16 мультиплексных адресов ввода/вывода. Такое решение резко уменьшает число задействованных выводов, и позволяет проводить последующие модернизации устройств, не увеличивая их размеров. Ввод команд, адреса и данных производится при низком уровне на выводе СЕ по спаду сигнала WE через одни и те же ножки ввода/вывода. Вводимая информация записывается в буферные регистры по фронту сигнала WE. Сигналы разрешения записи команды (CLE) и разрешения записи адреса (ALE) используются, чтобы мультиплексировать команду и адрес соответственно через одни и те же ножки ввода/вывода.

Таблица 3

* Произвольный ввод/вывод данных возможен в пределах одной страницы

В табл. 3 показаны команды управления микросхем. Подача на входы других, не перечисленных в таблице, шестнадцатеричных (HEX) кодов команд, ведет к непредсказуемым последствиям, и поэтому запрещена.

Чтобы повысить скорость записи во время приема больших объемов данных, у встроенного контроллера предусмотрена возможность записи данных в регистры кэш-памяти. При включении питания встроенный контроллер автоматически обеспечивает доступ к массиву памяти, начиная с первой страницы без ввода команды и адреса. В дополнение к усовершенствованной архитектуре и интерфейсу, контроллер обладает возможностью копирования (перезаписи)содер жимого одной страницы памяти на другую без обращения к внешней буферной памяти. В этом случае обеспе чивается более высокая скорость переноса данных, чем при обычной работе, так как отнимающий много времени последовательный доступ и циклы ввода данных отсутствуют.

Выбраковка блоков

Блоки памяти в микросхемах K9K4GXXX0M определяются как недопустимые, если содержат один иль более недопустимых битов, однозначность чтения которых не гарантируется. Информация из недопустимых блоков трактуется как «недопустимая информация блока». Микросхемы с недопустимыми блоками не отличаются по статическим и динамическим характеристикам и имеют тот же самый качественный уровень, как и микросхемы со всеми правильными блоками. Недопустимые блоки не влияют на работу нормальных блоков, потому что они изолировань от разрядной и общей шины питания транзистором выбора. Система спроектирована таким образом, что у недопустимых блоков блокируются адреса. Соответственно, к некорректным битам попросту нет доступа.

Идентификация недопустимого блока

Содержимое всех ячеек микросхемы (кроме тех, где хранится информация о недопустимых блоках) с адресами FFh для 8-разрядных и FFFFh для 16-разрядных, может быть стерта. Адреса недопустимых блоков, находящихся в резервной области массива памяти, определяет первый байт для 8-разрядных микросхем или первое слово - для 16-разрядных. Производитель гарантирует, что или 1-я или 2-я страница каждого блока с адресами недопустимых ячеек имеют в столбцах с адресами 2048 (для 8-разрядных) или 1024 (для 16-разрядных) данные, отличные, соответственно, от FFh или FFFFh. Так как информация о недопустимых блоках также является стираемой, то в большинстве случаев стирания адресов бракованных блоков их восстановить невозможно. Поэтому в системе должен быть заложен алгоритм, способный создать таблицу недопустимых блоков, защищенную от стирания и основанную на первоначальной информации о бракованных блоках.

После очистки массива-памяти адреса этих блоков снова загружаются из этой таблицы. Любое намеренное стирание первоначальной информации о недопустимых блоках запрещено, так как ведет к некорректной работе системы в целом.

Со временем число недопустимых блоков может возрасти, поэтому необходимо периодически проверять фактическую емкость памяти, сверяя адреса забракованных блоков с данными из резервной таблицы недопустимых блоков. Для систем, где необходима высокая отказоустойчивость, лучше всего предусмотреть возможность поблочного переписывания массива памяти со сравнением результатов с фактическими данными, оперативно выявляя и заменяя блоки некорректной информации. Данные из выявленного недопустимого блока переносятся в другой, нормальный пустой блок, не затрагивая соседние блоки массива и используя встроенный буфер, размер которого соответствует размеру блока. Для этого и предусмотрены команды для поблочной перезаписи.