Флэш-память. Твердотельный накопитель. Типы флеш-памяти. Карта памяти. Микросхемы NAND памяти фирмы HYNIX Микросхемы памяти EPROM компании ST

В этой статье мы с Вами поговорим о том, что положено в основу создания и по какому принципу работает устройство флэш-памяти (не путайте с USB флэш-накопителями и картами памяти). Кроме этого, вы узнаете о ее преимуществах и недостатках перед другими типами ПЗУ (постоянно запоминающими устройствами) и познакомитесь с ассортиментом самых распространенных накопителей, которые содержат в себе флэш-память.

Основное достоинство этого устройства в том, что оно энергонезависимое и ему не нужно электричество для хранения данных. Всю хранящуюся информацию во флэш-памяти можно считать бесконечное количество раз, а вот количество полных циклов записи к сожалению ограничено.

Флэш-память (flash memory) — относится к полупроводникам электрически перепрограммируемой памяти (EEPROM). Благодаря техническим решениям, не высокой стоимости, большому объему, низкому энергопотреблению, высокой скорости работы, компактности и механической прочности, флэш-память встраивают в цифровые портативные устройства и носители информации.

У флэш-памяти перед другими накопителями (жесткие диски и оптические накопители) типа ПЗУ есть как свои преимущества, так и свои недостатки, с которыми вы можете познакомиться из таблицы расположенной ниже.

Сегодня никто не сомневается в том, что флэш-память будет продолжать укреплять свои позиции в информационных технологиях, особенно в линейке мобильных устройств (КПК, планшеты, смартфоны, плееры). На основе флэш-памяти работают самые востребованные и популярные и сменные карты памяти для электронных устройств (SD, MMC, miniSD…).

Карты памяти, как и USB накопители не стоят в стороне, а привлекают внимание потенциальных покупателей своим многообразием. От такого изобилия запоминающих устройств выигрывает только производитель, а потребитель испытывает ряд неудобств. Ведь всем нам знакомы такие ситуации, когда телефону нужна одна карта, КПК другая, фотоаппарату третья. Такой ассортимент накопителей на руку производителям, потому что они извлекают из широкой эксклюзивной продажи большую выгоду. Вот небольшой список распространенных накопителей с флэш-памятью:

• Compact Flash Type I (CF I)/Type II (CF II);
• Memory Styck (MS Pro, MS Duo);
• Secure Digital (SD);
• miniSD;
• xD-Picture Card (xD);
• MultiMedia Card (MMC).
• USB Flash Drive.

В одной из публикаций я писал о том , а о том как выбрать карту в формате SD (microSD, miniSD) .

Принцип работы флэш-памяти.

Элементарной ячейка хранения данных флэш-памяти представляет из себя транзистор с плавающим затвором. Особенность такого транзистора в том, что он умеет удерживать электроны (заряд). Вот на его основе и разработаны основные типы флэш-памяти NAND и NOR . Конкуренции между ними нет, потому что каждый из типов обладает своим преимуществом и недостатком. Кстати, на их основе строят гибридные версии такие как DiNOR и superAND .

Во флэш-памяти производители используют два типа ячеек памяти MLC и SLC.

• Флэш-память с MLC(Multi-level cell — многоуровневые ячейки памяти)ячейки более емкие и дешевые, но они с большим временем доступа и меньшим количеством циклов записи/стирания (около 10000).
• Флэш-память, которая содержит в себе SLC (Single-level cell — одноуровневые ячейки памяти) ячейки имеет максимальное количество циклов записи/стирания(100000) и обладают меньшим временем доступа.

Изменение заряда (запись/стирание) выполняется приложением между затвором и истоком большого потенциала, чтобы напряженность электрического поля в тонком диэлектрике между каналом транзистора и карманом оказалась достаточна для возникновения туннельного эффекта. Для усиления эффекта тунеллирования электронов в карман при записи применяется небольшое ускорение электронов путем пропускания тока через канал полевого транзистора.

Принцип работы флеш-памяти основан на изменении и регистрации электрического заряда в изолированной области («карман») полупроводниковой структуры.

Чтение выполняется полевым транзистором, для которого карман выполняет роль затвора. Потенциал плавающего затвора изменяет пороговые характеристики транзистора, что и регистрируется цепями чтения. Эта конструкция снабжается элементами, которые позволяют ей работать в большом массиве таких же ячеек.

Теперь рассмотрим более подробно ячейки памяти с одним и двумя транзисторами…

Ячейка памяти с одним транзистором.

Если на управляющий затвор подать положительное напряжения (инициализация ячейки памяти) то он будет находиться в открытом состоянии, что будет соответствовать логическому нулю.

А если на плавающий затвор поместить избыточный отрицательный заряд (электрон) и подать положительное напряжение на управляющий затвор ,то он компенсирует создаваемое управляющим затвором электрическое поле и не даст образовываться каналу проводимости, а значит транзистор будет находиться в закрытом состоянии.

Вот так, наличие или отсутствие заряда на плавающем затворе точно определяет состояние открыт или закрыт транзистор, когда подается одно и тоже положительное напряжения на управляющий затвор. Если мы будем рассматривать подачу напряжения на управляющий затвор, как инициализацию ячейки памяти, то по тому, какое напряжение между истоком и стоком можно судить о наличии или отсутствии заряда на плавающем затворе.

Таким образом получается своеобразная элементарная ячейка памяти, способная сохранять один информационный бит. Ко всему этому очень важно, чтобы заряд на плавающем затворе (если он там имеется) мог сохраняться там долго, как при инициализации ячейки памяти, так и при отсутствии напряжения на управляющем затворе. Только в этом случае ячейка памяти будет энергонезависимой.

Так каким же образом в случае необходимости на плавающий затвор помещать заряд (записывать содержимое ячейки памяти) и удалять его оттуда (стирать содержимое ячейки памяти) когда это необходимо.

Поместить заряд на плавающий затвор (процесс записи) можно методом инжекции горячих электронов (CHE-Channel Hot Electrons) или методом туннелирования Фаулера-Нордхейма.

Если используется метод инжекции горячих электронов, то на сток и управляющий затвор подается высокое напряжение, что придаст электронам в канале энергии, достаточной чтобы преодолеть потенциальный барьер, который создается тонким слоем диэлектрика, и направить (туннелировать) в область плавающего затвора (во время чтения на управляющий затвор подается меньшее напряжение и эффект туннелирования не происходит).

Чтобы удалить заряд с плавающего затвора (выполнить стирания ячейки памяти) на управляющий затвор подается высокое отрицательное напряжение (около 9 В), а на область истока подается положительное напряжение. Это приводит к тому, что электроны туннелируют из области плавающего затвора в область истока. Таким образом происходит квантовое туннелирование Фаулера — Нордхейма (Fowler — Nordheim).

Наверно вы уже поняли, что транзистор с плавающим затвором это элементарная ячейка флэш-памяти. Но ячейки с одним транзистором имеют некоторые недостатки, основным из которых является плохая масштабируемость.

Так как при создании массива памяти, каждая ячейка памяти (то есть транзистор) подключается к двум перпендикулярным шинам. Управляющие затворы подключаются к шине, которую называют линией слов (Word Line), а стоки соединяют с шиной, ее называют битовой линией (Bit Line). В следствии чего в схеме находится высокое напряжение и при записи методом инжекции горячих электронов все линии — слов, битов и истоков нужно разместить на большом расстоянии друг от друга. Это даст нужный уровень изоляции, но отразится на ограничении объема флэш-памяти.

Еще одним недостатком такой ячейки памяти является присутствие эффекта избыточного удаления заряда с плавающего затвора, а он не может компенсироваться процессом записи. В следствии этого на плавающем затворе образуется положительный заряд, что делает неизменным состояние транзистора и он всегда остается открытым.

Ячейка памяти с двумя транзисторами.

Двухтранзисторная ячейка памяти, это модифицированная однотранзисторная ячейка, в которой находится обычный КМОП-транзистор и транзистор с плавающим затвором. В этой структуре обычный транзистор выполняет роль изолятора транзистора с плавающим затвором от битовой линии.

Имеет ли преимущества двухтранзисторная ячейка памяти? Да, ведь с ее помощью можно создавать более компактные и хорошо масштабируемые микросхемы памяти, потому что здесь транзистор с плавающим затвором изолируется от битовой линии. Ко всему прочему, в отличии от однотранзисторной ячейки памяти, где информация записывается методом инжекции горячих электронов, в двухтранзисторной ячейки памяти для записи и стирания информации используется метод квантового туннелирования Фаулера — Нордхейма. Такой подход дает возможность снизить напряжение, которое необходимо для операции записи. Забегая наперед скажу, что двухтранзисторные ячейки применяются в памяти со структурой NAND.

Устройство флэш-памяти с архитектурой NOR.

Тип этой памяти является источником и неким толчком в развитии всей EEPROM. Ее архитектура была разработана компанией Intel в далеком 1988 году. Как было написано ранее, чтобы получить доступ к содержимому ячейки памяти (инициализировать ячейку), нужно подать напряжение на управляющий затвор.

Поэтому разработчики компании все управляющие затворы подсоединили к линии управления, которая называется линией слов (Word Line). Анализ информации ячейки памяти выполняется по уровню сигнала на стоке транзистора. Поэтому разработчики все стоки транзисторов подсоединили к линии, которая называется линией битов (Bit Line).

Архитектура NOR получила название благодаря логической операции ИЛИ — НЕ (в переводе с английского NOR). Принцип логической операции NOR заключается в том, что она над несколькими операндами (данные, аргумент операции…) дает единичное значение, когда все операнды равны нулю, и нулевое значение во всех остальных операциях.

В нашем случае под операндами подразумевается значение ячеек памяти, а значит в данной архитектуре единичное значение на битовой линии будет наблюдается только в том случае, когда значение всех ячеек, которые подключены к битовой линии, будут равны нулю (все транзисторы закрыты).

В этой архитектуре хорошо организован произвольный доступ к памяти, но процесс записи и стирания данных выполняется относительно медленно. В процессе записи и стирания применяется метод инжекции горячих электронов. Ко всему прочему микросхема флеш-памяти с архитектурой NOR и размер ее ячейки получается большим, поэтому эта память плохо масштабируется.

Флеш-память с архитектурой NOR как правило используют в устройствах для хранения программного кода. Это могут быть телефоны, КПК, BIOS системных плат…

Устройство флэш-памяти с архитектурой NAND.

Данный тип памяти был разработан компанией Toshiba. Эти микросхемы благодаря своей архитектуре применяют в маленьких накопителях, которые получили имя NAND (логическая операция И-НЕ). При выполнении операция NAND дает значение нуль только, когда все операнды равны нулю, и единичное значение во всех других случаях.

Как было написано ранее, нулевое значение это открытое состояние транзистора. В следствии этого в архитектуре NAND подразумевается, что битовая линия имеет нулевое значение в том случае, когда все подключенные к ней транзисторы открыты, и значение один, когда хотя бы один из транзисторов закрыт. Такую архитектуру можно построить, если подсоединить транзисторы с битовой линией не по одному (так построено в архитектуре NOR) , а последовательными сериями (столбец из последовательно включенных ячеек).

Данная архитектура по сравнению с NOR хорошо масштабируется потому, что разрешает компактно разместить транзисторы на схеме. Кроме этого архитектура NAND производит запись путем туннелирования Фаулера — Нордхейма, а это разрешает реализовать быструю запись нежели в структуре NOR. Чтобы увеличить скорость чтения, в микросхемы NAND встраивают внутренний кэш.

Как и кластеры жесткого диска так и ячейки NAND группируются в небольшие блоки. По этой причине при последовательном чтении или записи преимущество в скорости будет у NAND. Но с другой стороны NAND сильно проигрывает в операции с произвольным доступом и не имеет возможности работать на прямую с байтами информации. В ситуации когда нужно изменить всего несколько бит, система вынуждена переписывать весь блок, а это если учитывать ограниченное число циклов записи, ведет к большому износу ячеек памяти.

В последнее время ходят слухи о том, что компания Unity Semiconductor разрабатывает флэш-память нового поколения, которая будет построена на технологии CMOx. Предполагается, что новая память придет на смену флеш-памяти типа NAND и преодолеет ее ограничения, которые в памяти NAND обусловлены архитектурой транзисторных структур. К преимуществам CMOx относят более высокую плотность и скорость записи, а также более привлекательную стоимость. В числе областей применения новой памяти значатся SSD и мобильные устройства. Ну, что же правда это или нет покажет время.

Чтобы более детально донести до Вас всю необходимую информацию я разместил видео ролик по теме.

P.S. Объяснить простым языком технический материал людям которые не представляют как построена архитектура компьютера… очень сложно, но я надеюсь у меня это получилось. Для полной и достоверной информации в этой статье я частично использовал учебную литературу. Надеюсь эта статья была для вас полезной и познавательной. Пока!

В процессе создания и эволюции средств вычислительной техники было затрачено немало усилий, чтобы устройство могло не только обрабатывать информацию, но и надежно ее хранить, как в процессе вычислений, так и в виде окончательных результатов.

Электронную память можно разделить на два основных вида — энергозависимый и энергонезависимый. Несмотря на то, что энергозависимая память обладает хорошими характеристиками по скорости чтения/записи, ее содержимое при выключении питания безвозвратно теряется. Оборудование, рассчитанное на запоминание и хранение информации после выключения питания, даже и на долгий срок (иногда годы), содержит энергонезависимую память.

Для целей долгосрочного хранения информации в настоящее время используются в основном два вида энергонезависимой памяти — это EEPROM и FLASH (см. рис. 1). И неизменным лидером в производстве микросхем памяти все это время остается компания STMicroelectronics. Рассмотрим варианты EEPROM и FLASH на примере микросхем, выпускаемых этой компанией.

Рис. 1.

Любая микросхема памяти отвечает требованиям быстродействия, времени хранения информации и стоимости. Помимо этого, на выбор того или иного вида памяти влияют несколько моментов:

Порядок запоминания информации:

• по одному байту информации в нужный момент;
• большими блоками информации.

Тип доступа к памяти:

• через параллельную шину;
• через последовательную шину.

Дополнительные требования:

• возможность считывать содержимое памяти одновременно с запоминанием информации;
• обеспечение только авторизованного доступа;
• большой объем памяти для хранения только данных по наименьшей цене;
• возможность выполнять код непосредственно из энергонезависимой памяти (XiP).

Существуют микросхемы, которые обладают наилучшими характеристиками, такими как:

• выполнение кода на месте,
• высокая степень разбиения массива памяти с множеством поддерживаемых специальных функций (наличие двух портов, защищенный режим работы);
• энергонезависимая память, но со скоростью, присущей энергозависимым;
• с напряжением питания меньше 1,8 В;
• с неограниченным количеством циклов записи/стирания.

Однако цена такого устройства не будет низкой.

Если основным требованием к устройству является хранение ограниченных объемов информации (калибровочные таблицы сенсоров, серийные номера плат, небольшие объемы данных [несколько номеров телефонов для DECT, некоторые параметры статуса, может быть даже несколько строк кода]), то удачное решение для такого случая — EEPROM-память, которая используется почти везде. При этом, как правило, используются EEPROM с последовательным интерфейсом, потому что с параллельным уже практически не выпускаются. Такая память допускает перепрограммирование одного произвольного байта информации без необходимости предварительного стирания. В номенклатуре ST присутствует широкий выбор EEPROM:

• объемом от 1 Кбит до 1 Мбит;
• диапазоны питающих напряжений с низким потреблением от 2,5 до 5,5 В и от 1,8 до 5,5 В;
• три стандартных последовательных шины I 2 C, SPI, MICROWIRE ® ;
• 1 миллион циклов записи/стирания как стандартное значение;
• время хранения данных — больше 40 лет;
• промышленный и автомобильный температурный диапазон;
• минимальные посадочные площадки, включая MSOP8, TSSOP8 и уникальный по размерам UFDFPN8 (2×3 мм) корпуса.

На табл. 1 приведена номенклатура выпускаемой памяти EEPROM.

Таблица 1. Микросхемы памяти EEPROM

Если основным требованием является хранение увеличенных объемов информации (большое количество строк кода, большое количество данных), то решение для такого случая — обычная FLASH-память (FLASH NOR). FLASH NOR с параллельным доступом распространена больше, однако последовательная FLASH NOR становится все более популярной в приложениях, где нет специфических требований параллельного доступа (см. рис. 2). Например, производители персональных компьютеров уже выбрали последовательную FLASH NOR, как основную. Эта тенденция распространения последовательной энергонезависимой памяти (EEPROM и FLASH) прослеживается во всех существующих приложениях (так же, как и во многих новых приложениях, например, в цифровой бытовой электронике).

Рис. 2.

Почему последовательный интерфейс?

• уменьшается стоимость контроллера, меньше выводов;
• уменьшается занимаемое место на печатной плате, размер корпуса;
• уменьшается стоимость памяти (в среднем);
• увеличивается гибкость по плотности памяти (не нужно менять плату, если нужен больший объем памяти, достаточно установить на то же посадочное место кристалл памяти большего объема);
• содержимое загружается для выполнения в ОЗУ (хранение кода программы).

Основные направления развития последовательной памяти таковы:

• переход на продукты с высокой плотностью;
• необходимость в высокоскоростной последовательной передаче данных;
• миниатюрный, с малым количеством выводов недорогой корпус.

В табл. 2 представлены доступные типы и семейства памяти NOR FLASH.

Таблица 2. Микросхемы памяти NOR FLASH

Если основным требованием является хранение все увеличивающихся объемов информации, которая в основном представляет собой данные, то для такого случая лучше выбрать FLASH NAND. Эта память предназначена именно для хранения данных. Хранить программный код в такой памяти слишком опасно из-за возможных ошибок при считывании. Такую память обслуживают специальным образом: производят коррекцию ошибок, маркируют негодные области памяти, распределяют нагрузку по страницам в количествах циклов записи/стирания. Как правило, все эти функции возлагаются на ПО управляющего процессора.

Преимущество этого типа памяти — относительная дешевизна в пересчете на объем доступной памяти. ST производит FLASH NAND объемом от 128 Мбит до 8 Гбит и больше, с различными размерами страниц: 528 байт/264 слова и 2112 байт/1056 слов, с независящим от плотности памяти посадочным местом, питанием 1,8 В и 3 В и в разнообразных корпусах.

NAND FLASH используется также и в картах памяти SD, Compact Flash, MMC, которые также выпускает ST.

Отдельно можно отметить особый тип памяти, который выпускается ST — так называемая NVRAM.

NVRAM — это устройства энергонезависимого (благодаря встроенной литиевой батарее) статического ОЗУ — устройство ZEROPOWER co всеми присущими ему свойствами такими, как скорость записи и неограниченный ресурс (семейство М48Z). Батарея соединяется с корпусом микросхемы посредством технологии SNAPHAT ® — инновационного и дешевого решения для поверхностного монтажа продуктов компании ST.

Кроме этого ST выпускает по той же технологии устройства TIMEKEEPER, которые имеют емкость памяти от 1 кбит до 4 Мбит и включают в себя еще и энергонезависимые часы реального времени (семейство М48Т). Имеются также функционально насыщенные TIMEKEEPER Supervisors, предлагающие такие полезные функции как RTC, POR/LVD, Power-Fail Warning, Battery Monitor, Battery Switchover и Write Protection.

С полным перечнем предлагаемых ST микросхем памяти можно ознакомиться на сайте: http://www.st.com/stonline/products/families/memories/memory/index.htm .

Получение технической информации, заказ образцов, поставка —
e-mail:

Датчик движения широкого применения

Компания STMicroelectronics расширила линейку датчиков движения новым двухосевым линейным акселерометром с цифровым выходом. Микромощный миниатюрный датчик LIS202DL, обладающий интеллектуальными функциями, предназначен для широкого использования, как в бытовой технике, так и для индустриальных применений.

Интеллектуальными возможностями акселерометр обладает благодаря встроенной в датчик интегральной схеме и фильтру высокой частоты, позволяющим реагировать и различать воздействие — одинарное или двойное прикосновение, определять движение (перемещение, поднятие). LIS202DL позволяет, например, отключить некстати звонящий в кармане телефон, не доставая его — одним касанием руки.

Подстраиваемые высокочастотные фильтры могут быть настроены на мониторинг вибрации или на активирование необходимых функций устройства через движение. Возможность реализации заданных функций по внешнему воздействию не зависит от того, в каком положении будет находиться исследуемый объект в момент измерений.

Датчик ST со встроенной функцией определения движения можно использовать для прекращения подачи энергии в устройство, которое может включаться или выключаться после передвижения (например, пульт ДУ).

Цифровой выход, реализованный в виде стандартных интерфейсов SPI/I 2 C (можно выбирать), делает датчик эффективным в использовании и легко интегрируемым в систему.

LIS202DL помещен в миниатюрный пластиковый корпус размерами 5х3х0,9 мм, который можно разместить практически в любом месте, ограниченном малыми размерами.

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!

На сегодняшний день флешки являются самыми популярными внешними носителями данных. В отличие от оптических и магнитных дисков (CD/DVD и винчестеры соответственно), флеш-накопители более компактны и устойчивы к механическим повреждениям. А за счет чего были достигнуты компактность и устойчивость? Давайте же разберемся!

Первое, что следует отметить — внутри flash-накопителя нет движущихся механических частей, которые могут пострадать от падений или сотрясений. Это достигается за счет конструкции — без защитного корпуса флешка представляет собой печатную плату, к которой припаян USB-разъем. Давайте рассмотрим её составляющие.

Основные компоненты

Составные части большинства флешек можно разделить на основные и дополнительные.

К основным относятся:

1. чипы NAND-памяти;
2. контроллер;
3. кварцевый резонатор.
4. USB-разъем

NAND-память
Накопитель работает благодаря NAND-памяти: полупроводниковым микросхемам. Чипы такой памяти, во-первых, весьма компактны, а во-вторых — очень ёмкие: если на первых порах флешки по объему проигрывали привычным на тот момент оптическим дискам, то сейчас превышают по ёмкости даже диски Blu-Ray. Такая память, ко всему прочему, еще и энергонезависимая, то есть для хранения информации ей не требуется источник питания, в отличие от микросхем оперативной памяти, созданных по похожей технологии.


Однако у НАНД-памяти есть один недостаток, в сравнении с другими типами запоминающих устройств. Дело в том, что срок службы этих чипов ограничен определенным количеством циклов перезаписи (шагов чтения/записи информации в ячейках). В среднем количество read-write cycles равно 30 000 (зависит от типа чипа памяти). Кажется, это невероятно много, но на самом деле это равно примерно 5 годам интенсивного использования. Впрочем, даже если ограничение будет достигнуто, флешкой можно будет продолжать пользоваться, но только для считывания данных. Кроме того, вследствие своей природы, NAND-память очень уязвима к перепадам электричества и электростатическим разрядам, так что держите её подальше от источников подобных опасностей.

Контроллер
Под номером 2 на рисунке в начале статьи находится крохотная микросхема — контроллер, инструмент связи между флеш-памятью и подключаемыми устройствами (ПК, телевизорами, автомагнитолами и пр.).


Контроллер (иначе называется микроконтроллер) представляет собой миниатюрный примитивный компьютер с собственным процессором и некоторым количеством RAM, используемыми для кэширования данных и служебных целей. Под процедурой обновления прошивки или BIOS подразумевается как раз обновление ПО микроконтроллера. Как показывает практика, наиболее частая поломка флешек — выход из строя контроллера.

Кварцевый резонатор
Данный компонент представляет собой крохотный кристалл кварца, который, как и в электронных часах, производит гармонические колебания определенной частоты. Во флеш-накопителях резонатор используется для связи между контроллером, NAND-памятью и дополнительными компонентами.

Эта часть флешки также подвержена риску повреждения, причем, в отличие от проблем с микроконтроллером, решить их самостоятельно практически невозможно. К счастью, в современных накопителях резонаторы выходят из строя относительно редко.

USB-коннектор
В подавляющем большинстве случаев в современных флешках установлен разъем USB 2.0 типа A, ориентированный на прием и передачу. В самых новых накопителях используется USB 3.0 типа А и типа C.

Дополнительные компоненты

Кроме упомянутых выше основных составляющих запоминающего flash-устройства, производители нередко снабжают их необязательными элементами, такими как: светодиод-индикатор, переключатель защиты от записи и некоторые специфические для определенных моделей особенности.

Светодиодный индикатор
Во многих flash-накопителях присутствует небольшой, но довольно яркий светодиод. Он предназначен для визуального отображения активности флешки (запись или считывание информации) или же просто является элементом дизайна.


Этот индикатор чаще всего не несет никакой функциональной нагрузки для самой флешки, и нужен, по сути, только для удобства пользователя или для красоты.

Переключатель защиты от записи
Этот элемент характерен скорее для SD-карт, хотя порой встречается и на запоминающих устройствах USB. Последние нередко используются в корпоративной среде как носители разнообразной информации, в том числе важной и конфиденциальной. Чтобы избежать инцидентов со случайным удалением таких данных, производителями флеш-накопителей в некоторых моделях применяется переключатель защиты: резистор, который при подключении в цепь питания запоминающего устройства не дает электрическому току добираться к ячейкам памяти.


При попытке записать или удалить информацию с накопителя, в котором включена защита, ОС выдаст такое вот сообщение.

Подобным образом реализована защита в так называемых USB-ключах: флешках, которые содержат в себе сертификаты безопасности, необходимые для корректной работы некоторого специфического ПО.

Этот элемент тоже может сломаться, в результате чего возникает досадная ситуация — девайс вроде работоспособен, но пользоваться им невозможно. У нас на сайте есть материал, который может помочь решить эту проблему.

Уникальные компоненты

К таковым можно отнести, например, наличие разъемов Lightning, microUSB или Type-C: флешки с наличием таковых предназначены для использования в том числе на смартфонах и планшетах.

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

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.