Енергонезалежна пам'ять
Узагальнено під енергонезалежною пам'яттю (NV Storage) мається на увазі будь-який пристрій, що зберігає записані дані навіть при відсутності живильної напруги (на відміну від статичної і динамічної напівпровідникової пам'яті). У даному розділі розглядаються тільки електронні пристрої енергонезалежної пам'яті, хоча до енергонезалежної пам'яті відносяться і пристрою з рухливим магнітним або оптичним носієм. Існує безліч типів енергонезалежної пам'яті (ROM, PROM, EPROM, EEPROM, Flash Memory, FRAM), що розрізняються по своїх споживчих властивостях, обумовленим способом побудови запам'ятовуючих осередків і сферами застосування. Запис інформації в енергонезалежну пам'ять, називана програмуванням, звичайно істотно складніше і вимагає великих витрат часу й енергії, чим зчитування. Програмування осередку (або блоку) — це ціла процедура, у яку можуть бути вовлечени спеціальні команди запису і верифікації. Основним режимом роботи такої пам'яті є зчитування даних, а деякі типи пам'яті після програмування допускають тільки зчитування, що й обумовлює їхню загальну назву — «пам'ять тільки для читання» (Read Only Memory, ROM), або ПЗУ (постійний запам'ятовуючий пристрій). Найперші постійні запам'ятовуючі пристрої виконувалися на магнітних сердечниках, де інформація заносилася їхнім прошиванням провідниками зчитування. З тих пір стосовно до програмування ПЗУ укоренилося поняття «прошивання».
Запам'ятовуючі осередки енергонезалежної пам'яті по своїй природі звичайно асиметричні і, як правило, дозволяють записувати тільки нулі в потрібні біти попередньо стертих (чистих) осередків, що містять одиниці. Для деяких типів пам'яті чистим вважається нульовий стан осередків. Однократно програмувальні мікросхеми дозволяють змінювати тільки вихідне (після виготовлення) стан осередків. Для стирання (якщо воно можливо) потрібні значні витрати енергії (потужності і часу), і процедура стирання звичайно істотно довше запису. Стирання осередків виконується або для всієї мікросхеми, або для визначеного блоку, або для одного осередку (байта). Стирання приводить усі біти області, що стирається, в один стан (звичайно в усі одиниці, рідше — в усі нулі).
Процедура програмування багатьох типів пам'яті вимагає щодо високої напруги програмування (12-26 В), а для однократно програмувальних ( щопропалюються) мікросхем — і спеціального (не ТТЛ) інтерфейсу керування. Після програмування потрібна верифікація — порівняння записаної інформації з оригіналом, причому неякісне керування програмуванням (або шлюб мікросхеми) може приводити до «заростання» записаного осередку, що зажадає повторного (можливо, і невдалого) її програмування. Можливий і зворотний варіант, коли «пробиваються» сусідні осередки, що вимагає повторного стирання (теж, можливо, невдалого). Стирання і програмування мікросхем може виконуватися або в спеціальному пристрої — программаторе, або в самому цільовому пристрої, якщо в нього передбачені відповідні засоби. Мікросхеми розрізняють по можливості програмування:
♦ Мікросхеми, програмувальні при виготовленні, — масочние ПЗУ, содер
жимое яким визначається малюнком технологічного шаблона. Такі
мікросхеми використовують лише при випуску великих партій пристроїв з од
ний і тим же прошиванням.
♦ Мікросхеми, програмувальні однократно після виготовлення перед вуста
новкой у цільовий пристрій, — ППЗУ (програмувальні ПЗУ), або PROM
(Programmable ROM). Програмування здійснюється пропалюванням оп
ределенних елементів, що зберігають, на спеціальних
устройствах-программато рах.
♦ Мікросхеми, що стираються і програмувальні багаторазово, — РПЗУ (репро
граммируемие ПЗУ), або EPROM (Erasable PROM — що стираються ПЗУ). Для
стирання і програмування потрібне спеціальне устаткування. Мик
росхеми програмуються в программаторе. Іноді можливо программи
ровать мікросхеми прямо в цільовому пристрої, підключаючи зовнішній про
грамматор, — так називаний метод ОВР (On-Board Programming). Найбільш
поширені мікросхеми УФРПЗУ, що стираються ультрафіолетовим облу
чением, — їх звичайно називають просто EPROM, або UV-EPROM (Ultra-Violet
EPROM). У цьому класі маються і стира электрически ПЗУ (ЭСПЗУ),
або EEPROM (Electrical Erasable PROM).
♦ Мікросхеми, перепрограмувальні многократнб у цільовому пристрої
з використанням програми його процесора, — по так називаному методі
/5W(In-System Write). До цього класу відносяться чисто электрически перепрограмувальні мікросхеми NVRAM і FRAM, але найбільше поширення одержала флеш-память.
Енергонезалежна пам'ять перерахованих типів в основному застосовується для збереження незмінної (або рідко змінюваної) інформації — системного програмного забезпечення (BIOS), таблиць (наприклад, знакогенераторов графічних адаптерів), пам'яті конфігурації пристроїв (ESCD, EEPROM адаптерів). Ця інформація звичайно є ключовою для функціонування PC (без BIOS комп'ютер являє собою тільки коробці з дорогими комплектуючими), тому досить істотна турбота про її схоронність і запобігання несанкціонованої зміни. Небажане (помилкове або під дією вірусу) зміна вмісту стає можливим при використанні для збереження BIOS флеш-памяти, програмувальної в цільовому пристрої (на системній платі PC). Важливими параметрами енергонезалежної пам'яті є час збереження і стійкість до електромагнітних впливів, а для перепрограмувальної пам'яті ще і гарантована кількість циклів перепрограмування.
Описувана енергонезалежна пам'ять не є пам'яттю з довільним доступом, оскільки запис у неї виконується не рядовим звертанням за адресою, а процедурою програмування. Існує й енергонезалежна пам'ять з довільним доступом (Non-Volatile Random Access Memory, NVRAM). Ця назва має на увазі можливість довільної зміни інформації не тільки у всій області або блоці пам'яті, але й в окремому осередку, причому не процедурою, а звичайним шинним циклом. До цього класу відносять мікросхеми FRAM і EEPROM, але в останніх час запису звичайно досить велике. Флеш-память до цього класу відносити не можна, оскільки зміна інформації, недарма називане програмуванням, у цій пам'яті здійснюється, спеціальною програмною процедурою.
Ферроелектрична пам'ять (Ferroelectric RAM, FRAM) — енергонезалежна пам'ять з істинно довільним доступом, її запис і читання здійснюються як у звичайних мікросхемах статичної пам'яті. При її виготовленні використовується залізо — її можна вважати луною стародавньої пам'яті на магнітних сердечниках великих машин. Осередку FRAM за структурою нагадують DRAM, але інформація зберігається не у виді заряду конденсатора (який потрібно підтримувати регенерацією), а у виді напрямку поляризації кристалів. Запис виробляється безпосередньо, попереднього стирання не потрібно. Як і флеш-память, вона використовується в самих портативних системах класу PDA (Personal Digital Assistants — персональний електронний секретар). Над цими пристроями активно працюють фірма Hitachi разом з Ramtron (www. ramtron.com) і фірма Matsushita з фірмою Symetrix. У 2001 році випускалися мікросхеми ємністю 4-256 Кбит (технологія 0,35 мкм) з рівнобіжним інтерфейсом (як SRAM) і часом доступу 70-120 не, а також з послідовним інтерфейсом 12С. На 2005 минулому доступні мікросхеми 1 Мбит (128К х 8) з часом доступу 60 не (час циклу — від 150 не), живлення — 3,3 В (20 ма в активному режимі). Число циклів перезапису необмежено, час збереження — 10 років. Крім масивів пам'яті FRAM використовується й у спеціальних енергонезалежних регістрах — є, наприклад, мікросхеми FM573 і FM574, що при включеному харчуванні поводяться аналогічно стандартним 8-бітним регістрам '573 і '574, але при вимиканні живлення пам'ятають свій стан. У мікросхем FRAM КМОП-интерфейс, живлення 5 В, але маються вироби і на 2,7 В. На відміну від флеш-памяти, у якої число циклів перезапису принципово обмежене (хоча і дуже велико), осередку FRAM практично не деградують у процесі запису — гарантується до 1010 циклів перезапису. Проголошується заміна на FRAM навіть динамічної пам'яті, однак у PC пам'ять FRAM авторові поки зустрічати не доводилося. Енергонезалежна пам'ять у комп'ютерах застосовується подвійно:
♦ Включається в простір пам'яті, і тоді процесор може використовувати
її як для збереження (зчитування) даних, так і для безпосереднього ис
полнения програмного коду. Таким способом енергонезалежна пам'ять,
наприклад, забезпечує збереження інформації BIOS (системної і модулів
розширення).
♦ Використовується як носій пристроїв збереження даних (карти USB
Flash, CFA, SMC, MMC, SD і ін.). У цьому випадку для доступу до неї потрібні интерфейсние адаптери і контролери, за допомогою яких забеспечується довільний доступ до блоків даних пристроїв збереження.