Флеш-память. Принципы работы

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования 

«Южно-Уральский государственный университет»

Факультет «Автотракторный»

Кафедра «Эксплуатация Автомобильного транспорта»

Флеш-память. Принципы работы. 
 
РЕФЕРАТ 
 
по дисциплине «Информатика»

Проверил, (доцент) 
_______________ /Абросимов Е.Н./ 
_______________ 20__ г. 
Автор работы 
студент группы АТ-161 
_______________ /Казаков Е.М./ 
_______________ 20__ г. 
Реферат защищен 
с оценкой (прописью, цифрой) 
_____________________ 
_______________ 20__ г. 

 

Аннотация

Казаков Е.М. Флеш-память. Принципы работы.. АТ-161, 10 c.

Цель  реферата - рассмотреть основные принципы работы и назначение флэш-памяти.

Задачи  реферата - изучить, принцип работы флэш-памяти, проанализировать историю  создания, технологию изготовления и  применение в цифровых устройствах.

 

Оглавление

Введение 5

1 Понятие флэш-памяти 6

2 Организация флэш-памяти 8

Заключение 10

Библиографический список 12

 

 

Введение

Технология  флэш-памяти появилась около 20-ти лет  назад. В конце 80-х годов прошлого столетия флэш-память начали использовать в качестве альтернативы UV-EPROM. Спрос на флэш-память растёт с каждым годом, количество компаний, выпускающих этот тип памяти, стремительно увеличивается, а цена так же быстро падает. В 2000 году объёмы производства флэш-памяти превысили объёмы производства SRAM. Теперь рынок флэш является вторым по величине рынком памяти после DRAM, а к 2006 году (по прогнозу Semico) доход от продаж флэш-памяти превысит доход от продаж DRAM. В 2002 году общемировой объем продаж флэш-памяти составил 7,7 млрд$.

Сегодня флэш-память можно найти в самых  разных цифровых устройствах. Её используют в качестве носителя микропрограмм  для микроконтроллеров HDD и CD-ROM, для хранения BIOS в ПК. Флэш-память используют в принтерах, видеоплатах, брандмауэрах, сотовых телефонах, электронных часах, записных книжках, телевизорах, кондиционерах, микроволновых печах и стиральных машинах... список можно продолжать бесконечно. А в последние годы флэш становится основным типом сменной памяти, используемой в цифровых мультимедийных устройствах, таких как mp3-плееры и игровые приставки. Начало этому было положено в 1997 году, когда флэш-карты впервые стали использовать в цифровых фотокамерах.

Занимая в начале своего пути лишь небольшую  рыночную нишу, сейчас флэш – одна из основных технологий полупроводниковой  памяти, и можно с уверенностью сказать, что в ближайшие 5–7 лет мы станем свидетелями расцвета технологии флэш-памяти.

1. Понятие флэш-памяти

Флэш-память - особый вид энергонезависимой перезаписываемой полупроводниковой памяти.

Энергонезависимая - не требующая дополнительной энергии  для хранения данных (энергия требуется  только для записи);

Перезаписываемая - допускающая изменение (перезапись) хранимых в ней данных;

Полупроводниковая (твердотельная) - не содержащая механически  движущихся частей (как обычные жёсткие  диски или CD), построенная на основе интегральных микросхем (IC-Chip).

В отличие  от многих других типов полупроводниковой  памяти, ячейка флэш-памяти не содержит конденсаторов – типичная ячейка флэш-памяти состоит всего-навсего  из одного транзистора особой архитектуры. Ячейка флэш-памяти прекрасно масштабируется, что достигается не только благодаря  успехам в миниатюризации размеров транзисторов, но и благодаря конструктивным находкам, позволяющим в одной  ячейке флэш-памяти хранить несколько  бит информации.

Флэш-память исторически происходит от ROM (Read Only Memory) памяти, и функционирует подобно RAM (Random Access Memory). Данные флэш хранит в  ячейках памяти, похожих на ячейки в DRAM. В отличие от DRAM, при отключении питания данные из флэш-памяти не пропадают.

Замены  памяти SRAM и DRAM флэш-памятью не происходит из-за двух ее особенностей: флэш работает существенно медленнее и имеет  ограничение по количеству циклов перезаписи (от 10.000 до 1.000.000 для разных типов).

Надёжность/долговечность: информация, записанная на флэш-память, может храниться очень длительное время (от 20 до 100 лет), и способна выдерживать  значительные механические нагрузки (в 5-10 раз превышающие предельно  допустимые для обычных жёстких  дисков). Основное преимущество флэш-памяти перед жёсткими дисками и носителями CD-ROM состоит в том, что флэш-память потребляет значительно (примерно в 10-20 и более раз) меньше энергии во время работы. Кроме того, флэш-память компактнее большинства других механических носителей.

Итак, благодаря  низкому энергопотреблению, компактности, долговечности и относительно высокому быстродействию, флэш-память идеально подходит для использования в  качестве накопителя в таких портативных  устройствах, как: цифровые фото- и видео  камеры, сотовые телефоны, портативные  компьютеры, MP3-плееры, цифровые диктофоны, и т.п.

1. ОТ ROM К FLASH

Хотя  флэш-память произошла от ROM, она ROM-памятью не является, а всего лишь имеет похожую на ROM организацию. Множество источников (как отечественных, так и зарубежных) зачастую ошибочно относят флэш-память к ROM. Флэш никак не может быть ROM хотя бы потому, что ROM (Read Only Memory) переводится как "память только для чтения". Ни о какой возможности перезаписи в ROM речи быть не может!

Небольшая, по началу, неточность не обращала на себя внимания, однако с развитием технологий, когда флэш-память стала выдерживать  до 1 миллиона циклов перезаписи, и стала  использоваться как накопитель общего назначения, этот недочет в классификации  начал бросаться в глаза.

Среди полупроводниковой  памяти только два типа относятся  к "чистому" ROM - это Mask-ROM и PROM. В  отличие от них EPROM, EEPROM и Flash относятся  к классу энергонезависимой перезаписываемой памяти (английский эквивалент - nonvolatile read-write memory или NVRWM).

Изобретение флэш-памяти зачастую незаслуженно приписывают Intel, называя при этом 1988 год. На самом  деле память впервые была разработана  компанией Toshiba в 1984 году, и уже на следующий год было начато производство 256Кбит микросхем flash-памяти в промышленных масштабах. В 1988 году Intel разработала  собственный вариант флэш-памяти.

Во флэш-памяти используется несколько отличный от EEPROM тип ячейки-транзистора. Технологически флэш-память родственна как EPROM, так  и EEPROM. Основное отличие флэш-памяти от EEPROM заключается в том, что  стирание содержимого ячеек выполняется  либо для всей микросхемы, либо для  определённого блока (кластера, кадра  или страницы). Обычный размер такого блока составляет 256 или 512 байт, однако в некоторых видах флэш-памяти объём блока может достигать 256КБ. Следует заметить, что существуют микросхемы, позволяющие работать с  блоками разных размеров (для оптимизации  быстродействия). Стирать можно как  блок, так и содержимое всей микросхемы сразу. Таким образом, в общем  случае, для того, чтобы изменить один байт, сначала в буфер считывается  весь блок, где содержится подлежащий изменению байт, стирается содержимое блока, изменяется значение байта в  буфере, после чего производится запись измененного в буфере блока. Такая  схема существенно снижает скорость записи небольших объёмов данных в произвольные области памяти, однако значительно увеличивает быстродействие при последовательной записи данных большими порциями.

Преимущества  флэш-памяти по сравнению с EEPROM:

1. Более  высокая скорость записи при  последовательном доступе за  счёт того, что стирание информации  во флэш производится блоками.

2. Себестоимость  производства флэш-памяти ниже  за счёт более простой организации.

Недостаток: Медленная запись в произвольные участки памяти.

2. Организация флэш-памяти

Ячейки  флэш-памяти бывают как на одном, так  и на двух транзисторах. В простейшем случае каждая ячейка хранит один бит  информации и состоит из одного полевого транзистора со специальной электрически изолированной областью ("плавающим" затвором - floating gate), способной хранить  заряд многие годы (рис.2.1). Наличие  или отсутствие заряда кодирует один бит информации. При записи заряд  помещается на плавающий затвор одним  из двух способов (зависит от типа ячейки): методом инжекции "горячих" электронов или методом туннелирования электронов. Стирание содержимого ячейки (снятие заряда с "плавающего" затвора) производится методом тунеллирования. Как правило, наличие заряда на транзисторе понимается как логический "0", а его  отсутствие - как логическая "1". Современная флэш-память обычно изготавливается  по 0,13- и 0,18-микронному техпроцессу.

 

Рисунок 2.1 Ячейка flash-памяти на одном транзисторе

1. Многоуровневые  ячейки (MLC - Multi Level Cell)

В последнее  время многие компании начали выпуск микросхем флэш-памяти, в которых  одна ячейка хранит два бита. Технология хранения двух и более бит в  одной ячейке получила название MLC (multilevel cell - многоуровневая ячейка). Достоверно известно об успешных тестах прототипов, хранящих 4 бита в одной ячейке. В настоящее время многие компании находятся в поисках предельного числа бит, которое способна хранить многоуровневая ячейка. В технологии MLC используется аналоговая природа ячейки памяти. Как известно, обычная однобитная ячейка памяти может принимать два состояния - "0" или "1". Во флэш-памяти эти два состояния различаются по величине заряда, помещённого на "плавающий" затвор транзистора. В отличие от "обычной" флэш-памяти, MLC способна различать более двух величин зарядов, помещённых на "плавающий" затвор, и, соответственно, большее число состояний. При этом каждому состоянию в соответствие ставится определенная комбинация значений бит. Во время записи на "плавающий" затвор помещается количество заряда, соответствующее необходимому состоянию. От величины заряда на "плавающем" затворе зависит пороговое напряжение транзистора. Пороговое напряжение транзистора можно измерить при чтении и определить по нему записанное состояние, а значит и записанную последовательность бит.

Основные преимущества MLC микросхем:

• Более низкое соотношение $/МБ;
• При равном размере микросхем и одинаковом техпроцессе "обычной" и MLC-памяти, последняя способна хранить больше информации (размер ячейки тот же, а количество хранимых в ней бит - больше);
• На основе MLC создаются микросхемы большего, чем на основе однобитных ячеек, объёма.

Основные недостатки MLC:

• Снижение надёжности, по сравнению с однобитными ячейками, и, соответственно, необходимость встраивать более сложный механизм коррекции ошибок (чем больше бит на ячейку - тем сложнее механизм коррекции ошибок);
• Быстродействие микросхем на основе MLC зачастую ниже, чем у микросхем на основе однобитных ячеек;
• Хотя размер MLC-ячейки такой же, как и у однобитной, дополнительно тратится место на специфические схемы чтения/записи многоуровневых ячеек;

2. Доступ  к флэш-памяти

Существует три  основных типа доступа:

• обычный (Conventional): произвольный асинхронный доступ к ячейкам памяти.
• пакетный (Burst): синхронный, данные читаются параллельно, блоками по 16 или 32 слова. Считанные данные передаются последовательно, передача синхронизируется. Преимущество перед обычным типом доступа - быстрое последовательное чтение данных. Недостаток - медленный произвольный доступ.
• страничный (Page): асинхронный, блоками по 4 или 8 слов. Преимущества: очень быстрый произвольный доступ в пределах текущей страницы. Недостаток: относительно медленное переключение между страницами. 
  

3. Карты памяти (флэш-карты)

Флэш-карты бывают двух типов: с параллельным (parallel) и  с последовательным (serial) интерфейсом.

Параллельный:

• PC-Card (PCMCIA или ATA-Flash)
• CompactFlash (CF)
• SmartMedia (SSFDC)

Последовательный:

• MultiMedia Card (MMC)
• SD-Card (Secure Digital - Card)
• Sony Memory Stick

1. PC-Card (PCMCIA) или ATA Flash

Самым старым и самым большим по размеру следует признать PC Card (ранее этот тип карт назывался PCMCIA [Personal Computer Memory Card International Association]). Карта снабжена ATA контроллером. Благодаря этому обеспечивается эмуляция обычного жесткого диска. В настоящее время флэш-память этого типа используется редко. PC Card бывает объемом до 2GB. Существует три типа PC Card ATA (I, II и III). Все они отличаются толщиной (3,3 5,0 и 10,5 мм соответственно). Все три типа обратно совместимы между собой (в более толстом разъеме всегда можно использовать более тонкую карту, поскольку толщина разъема у всех типов одинакова – 3,3 мм). Применение: Type I – память (SRAM, Flash и т. д.); Type II – устройства ввода-вывода (модемы, сетевые карты и т. д); Type III –устройства хранения данных, жесткие диски. Питание карт - 3,3В и 5В. ATA-flash как правило относится к форм – фактору PCMCIA Type I. PC-Card Flash бывают двух типов: PCMCIA Linear Flash Card и ATA Flash Card (Flash Disk). Linear встречается намного реже ATA flash и не совместим с последним. Отличие между ними состоит в том, что ATA Flash содержит в себе схему, позволяющую эмулировать обычный HDD, автоматически помечать испорченные блоки, и производить автоматическое стирание блоков.

Для работы с  картами стандарта PC Card на настольном компьютере требуется приобрести специальный адаптер - PC Card Adapter, стоимостью около 70 долл (2001 г.). А во всех современных ноутбуках этот адаптер уже присутствует в стандартной конфигурации.

2. Compact Flash (CF)