Zapamiętywanie bitów
Pamięć stała ROM, PROM, EPROM, EEPROM, FLASH i NV-RAM


Bramki logiczne
Cyfrowe układy scalone TTL i CMOS
Zasilanie układów TTL i CMOS
Zjawisko hazardu w sieciach logicznych
Przerzutniki
Pamięć
Wejście / wyjście
  Pamięci komputerowe
Historia rozwoju pamięci komputerowych
Budowa i rodzaje pamięci komputerowej
Statyczna pamięć RAM
Dynamiczna pamięć RAM
Pamięć stała ROM, PROM, EPROM, EEPROM, FLASH i NV-RAM
Pamięć dyskowa
Pamięć CD/DVD/Blue-Ray

 

Pamięć stała ROM (ang. Read Only Memory - pamięć tylko do odczytu) jest stosowana w systemach procesorowych do przechowywania danych, które się nie zmieniają - np. różnego rodzaju tabele funkcji, parametry urządzeń, a także procedury startowe komputera i obsługa różnych urządzeń wejścia/wyjścia. Cechą charakterystyczną pamięci ROM jest przechowywanie zapisanych danych nawet po wyłączeniu zasilania. Dzięki temu są one od razu gotowe do użycia tuż po ponownym uruchomieniu systemu komputerowego. Drugą charakterystyczną cechą jest stałość zapisanych danych, których zwykle nie można zmieniać w trakcie normalnej pracy pamięci - gwarantuje to, iż przechowywana informacja przetrwa nienaruszona podczas różnego rodzaju błędów zapisu pamięci. Stąd bierze swój początek angielska nazwa ROM - Read Only Memory, czyli pamięć tylko do odczytu.

Rodzaje pamięci ROM

Rozróżniamy pięć podstawowych rodzajów pamięci ROM:

ROM

Pamięć ROM jest produkowana w formie specjalizowanych układów scalonych. Zawartość komórek jest ustalana już w czasie produkcji przez zastosowanie odpowiedniej struktury logicznej. Raz wyprodukowana, pamięć ROM nie może już zmienić swojej zawartości - w przypadku błędów w zapisanych danych nie ma możliwości ich poprawienia, całą pamięć trzeba wyprodukować od nowa, co jest dosyć kosztownym przedsięwzięciem. Wynika z tego również fakt, iż pamięć ROM nie może być, z uwagi na koszt produkcji, stosowana w urządzeniach jednostkowych czy eksperymentalnych. Jednakże, gdy zawartość pamięci jest bez błędów, to układy raz zaprojektowane można produkować w dużych ilościach po bardzo niskich kosztach - przykładami pamięci ROM są generatory znaków (w ROM zapamiętane są kształty liter wyświetlanych na wyświetlaczu) dla urządzeń cyfrowych, pozytywki odtwarzające melodie czy piosenki, gry elektroniczne (np. popularne Game Boy, Nintendo, Sega) itp. Pamięci ROM są bardzo pewne w działaniu i rzadko ulegają awariom.

Budową pamięć ROM przypomina budowę pamięci statycznej. Adres komórki jest przekazywany do dekodera wierszy i kolumn. Dekoder wierszy uaktywnia jedną z linii WL (ang. word line - linia słowa). W komórkach przechowujących stan logiczny 1 linia WL połączona jest diodą lub tranzystorem z linią BL (ang. bit line). W komórkach przechowujących stan 0 jest brak takiego połączenia. Dioda lub tranzystor zaczyna przewodzić prąd, co powoduje odpowiednią zmianę napięcia na linii BL. Linie BL biegną do wzmacniaczy bitów, które z kolei sterowane są przez dekoder kolumn. Stan wybranej linii BL jest przekazywany na magistralę danych pamięci ROM.

Ponieważ pamięć ROM zezwala jedynie na operację odczytu danych, układy scalone posiadają następujące wejścia sterujące:


PROM

Tworzenie od podstaw zawartości pamięci ROM jest bardzo kosztowne w małych ilościach i zajmuje mnóstwo czasu. Z tego powodu producenci opracowali nowy rodzaj pamięci ROM - tzw. programowalną pamięć ROM (ang. programable ROM). Pamięć PROM sprzedawana jest jako pusta - wszystkie komórki pamiętają stan logiczny 1 - zawartość można zdefiniować przy pomocy specjalnego urządzenia, zwanego programatorem pamięci PROM (ang. PROM programmer lub PROM burner).

Wewnętrznie PROM przypomina budową zwykłą pamięć ROM. Różnica polega na tym, iż połączenia linii WL (lub BL) z diodami komórek wykonane są w formie cienkich drucików, które można przepalać za pomocą odpowiednio dobranego prądu elektrycznego. Przepalenie drucika powoduje przerwanie połączenia diody z linią bitu BL - komórka będzie teraz pamiętała bit 0. Jeśli połączenie istnieje, komórka pamięta bit 1. Do przepalenia drucika w wybranej komórce pamięci PROM używamy specjalnego programatora (patrz na lewo), a proces nazywa się programowaniem pamięci PROM (ang. PROM programming) lub wypalaniem pamięci PROM (ang. PROM burning).

Proces wypalania polega na przygotowaniu pliku z zawartością dla poszczególnych komórek pamięci PROM. Następnie uruchamia się oprogramowanie programatora. Programator łączy się odpowiednim kablem z komputerem PC. Do programu programatora wczytuje się plik z zawartością dla PROM. Układ pamięci wkładany jest do niebieskiej podstawki (zwróć uwagę na małą dźwignię po lewej stronie - służy ona do blokowania wyprowadzeń układu w podstawce). Na koniec uaktywnia się w programie opcję wypalania pamięci - program odczytuje z pliku zawartość kolejnych komórek PROM i steruje programatorem, który wypala w komórkach pamięci druciki tam, gdzie zawartość ma wynosić 0 - komórki z zawartością 1 pozostają nienaruszone. Wypalanie polega na wysterowaniu układu odpowiednio wyższym napięciem niż w czasie normalnej pracy - 15..25V. Szczegóły znajdziesz w materiałach producenta, jednakże pamięci PROM są dzisiaj już przestarzałe i mało kto je produkuje.

Pamięć PROM jest wrażliwa na przepięcia elektryczne (np. elektryczność statyczna, gromadząca się na ubraniu z tworzyw sztucznych), które mogą uszkodzić wewnętrzne połączenia komórek z liniami wybierającymi WL. Dlatego z układami PROM należy obchodzić się bardzo ostrożnie.

Pamięć PROM daje się zaprogramować tylko jeden raz. Jeśli coś pójdzie źle lub zapisana informacja zawiera błędy, pamięć przestaje być zdatna do użytku i należy wypalić drugi egzemplarz. Jednakże niski koszt czyni ją doskonałym materiałem do zastosowań prototypowych i hobbistycznych.

 

EPROM

Pamięci PROM można zaprogramować tylko jeden raz - jeśli zawartość zawiera błędy, to układ jest do wyrzucenia - należy zaprogramować nowy. Z tych powodów opracowano pamięć ROM, której zawartość można programować, a następnie w razie potrzeby wymazywać - EPROM (ang. Erasable Programmable ROM) , czyli wymazywalna, programowalna pamięć ROM. Takie wymagania wymusiły zmianę konstrukcji komórek pamięci.

Kasowanie zawartości pamięci wymaga naświetlenia jej struktury światłem ultrafioletowym przez około 10 - 15 minut. Dlatego w obudowie EPROM umieszczone jest małe okienko kwarcowe przepuszczające ultrafiolet, poprzez które widoczna jest płytka krzemowa zawierająca elementy pamięci. Produkuje się również tzw. jednorazowe pamięci EPROM - bez okienka - tzw. OTP EPROM (ang. One Time Programmable - programowalen jednorazowo). Układy takie zawierają strukturę EPROM, jednak mogą być zaprogramowane tylko jeden raz. Ponieważ obudowa układu nie zawiera okna kwarcowego, układ jest tańszy w produkcji. Jednorazowe EPROM'y można programować w tych samych programatorach, co zwykłe pamięci EPROM. Stosowane są wtedy, gdy zapisywana zawartość nie zawiera już żadnych błędów.

Każde kasowanie EPROM degeneruje materiał półprzewodnikowy, dlatego pamięci te wytrzymują kilkaset - do kilku tysięcy cykli programowania i kasowania. Natomiast odczytywać zawartość pamięci EPROM można dowolną liczbę razy. Informacja przechowywana jest przez około 10 lat. Kasowanie pamięci nie jest selektywne - usuwa informację ze wszystkich komórek i proces programowania musi być powtórzony w całości. Pamięci EPROM należy chronić przed światłem słonecznym, które zawiera ultrafiolet. Najczęściej nalepia się na okienko kwarcowe etykietkę z danymi układu lub z reklamą producenta.

Budowa pamięci EPROM jest standardowa - zawiera dekodery wierszy i kolumn sterowane liniami magistrali adresowej. Różnica dotyczy konstrukcji komórek przechowujących dane. Zbudowane są one ze specjalnych tranzystorów polowych posiadających dwie bramki - sterującą (ang. control gate), która podłączona jest do linii słowa WL oraz pływającą (ang. floating gate), która nigdzie nie jest podłączona. Bramki rozdzielone są od siebie przez warstwę tlenku krzemu, która jest izolatorem. Dzięki zjawisku tunelowemu Fowlera-Nordheima (przepływ elektronów przez izolator wykorzystujący zjawiska fizyki kwantowej) bramka pływająca może więzić elektrony, jeśli tranzystor wysterujemy na linii WL wyższym niż normalne napięciem (zwykle 12...22V). Elektrony gromadzące się w bramce pływającej powodują powstanie ujemnego ładunku elektrycznego, który oddziałuje później z napięciem bramki sterującej. Jeśli ładunek bramki pływającej jest odpowiednio duży, to tranzystor polowy w normalnych warunkach pracy może przestać przewodzić prąd elektryczny pomiędzy źródłem (S - ang. source) a drenem (D - ang. drain). Odpowiedni układ porównuje wartość prądu płynącego przez linię BL po przyłożeniu napięcia sterującego na linię WL. Jeśli jest on większy od 50% maksimum, to komórka zawiera wartość 1 (bramka pływająca posiada za mało elektronów, aby skutecznie zablokować tranzystor). Jeśli prąd spadnie poniżej 50% maksimum, to komórka zawiera wartość 0 (bramka pływająca posiada wystarczający ładunek elektronów do zablokowania tranzystora).

Dzięki izolacji tlenkowej ładunek elektronów może utrzymywać się w bramce pływającej przez wiele lat (10...20). Usunąć go można przez naświetlenie struktury krzemowej światłem ultrafioletowym o odpowiednio dobranej długości fali (253,7 nm). Światło UV powoduje jonizację krzemu i uwolnienie elektronów zgromadzonych w bramkach pływających. Wszystkie komórki przechodzą wtedy w stan logiczny 1. Wymazaną pamięć należy ponownie zaprogramować.

 

EEPROM

Pamięć EEPROM (ang. Electrically Erasable and Programmable ROM) jest pamięcią stałą, którą można wymazywać elektrycznie i programować elektrycznie. Nie jest wymagane naświetlanie układu promieniami UV, jak w przypadku standardowej pamięci EPROM. Poszerza to krąg zastosowań pamięci, która teraz może być przeprogramowana w docelowym urządzeniu, np. w komputerze, przy pomocy odpowiedniego programu. Drugą zaletą w porównaniu z EPROM jest selektywność kasowania - można usunąć zawartość określonych komórek pamięci bez naruszania informacji przechowywanej w innych komórkach. Otwiera to przed pamięcią zupełnie nowe dziedziny zastosowań (np. dyski krzemowe do zapisu plików).

Komórka pamięci EEPROM zbudowana jest podobnie do komórki pamięci EPROM, również występuje tranzystor polowy o dwóch bramkach - sterującej i pływającej. Różnica leży w warstwie tlenkowej, która w pamięci EEPROM jest cieńsza i pozwala na wystąpienie zjawisk tunelowych przy sterowaniu tranzystora za pomocą bramki sterującej. Przyłożenie odpowiednio wysokiego napięcia do tej bramki powoduje gromadzenie się lub rozładowywanie ładunku elektronów na bramce pływającej - można to porównać do procesu ładowania i rozładowywania akumulatora. Jeśli bramka pływająca zostanie naładowana ładunkiem elektronów, to wytworzone przez nie napięcie będzie blokowało w trakcie normalnej pracy funkcje tranzystora polowego - komórka ze stanem logicznym 0. Jeśli ładunek bramki pływającej zostanie rozładowany, to przestanie ona wpływać na pracę tranzystora - komórka ze stanem logicznym 1.

Ponieważ kasowanie komórki i programowanie odbywa się na drodze czysto elektrycznej, pamięci EEPROM można programować nową zawartością bezpośrednio w układzie cyfrowym, bez konieczności ich wyjmowania i naświetlania światłem UV jak w przypadku zwykłych pamięci EPROM. Pamięć wytrzymuje kilkanaście tysięcy cykli kasowania. Dodatkowo pamięci te można produkować w zwykłych obudowach zamkniętych, bez okna kwarcowego, co obniża znacznie koszty produkcji układu. Szczegóły obsługi pamięci EEPROM znajdziesz w materiałach producentów. Obecnie pamięć EEPROM jest coraz częściej zastępowana pamięcią FLASH.

 

FLASH

Pamięć Flash (ang. Flash Memory) jest pamięcią nieulotną, którą można elektrycznie wymazywać oraz programować - podobnie jak opisaną wyżej pamięć EEPROM. Pamięci Flash znalazły obecnie szerokie zastosowanie w kartach pamięciowych do aparatów, kamer cyfrowych, telefonów, notebooków, odtwarzaczy mp3, iPodów itp. oraz w dyskach krzemowych USB zwanych Pen Drive. Pamięć FLASH we współczesnych komputerach pełni rolę dawnej pamięci ROM-BIOS. Takie rozwiązanie pozwala użytkownikowi na aktualizację oprogramowania systemowego komputera. Aktualizacja może usunąć błędy w działaniu, zauważone już po produkcji podzespołów komputera - jednakże nie licz zbytnio na tę opcję, często producenci zapominają o użytkowniku, który posiada stary sprzęt, chociaż są wyjątki.

Pamięć Flash jest specyficznym rodzajem pamięci EEPROM. Zapis informacji odbywa się na identycznej zasadzie - tranzystor polowy z dwoma bramkami, sterującą i pływającą. Bramka pływająca jest nasycana elektronami w czasie programowania, co blokuje tranzystor podczas normalnej pracy. Różnica występuje przy kasowaniu zapamiętanej informacji. W pamięci EEPROM można kasować pojedyncze komórki, lecz prowadzi to do komplikacji układu cyfrowego, a zatem do wyższych kosztów produkcji. Dodatkowo kasowanie bloku komórek jest czasochłonne - każdą komórkę musimy skasować oddzielnie. W pamięci FLASH kasowany jest jednocześnie cały blok komórek (np. w porcjach po 1024 bajty). Umożliwia to znacznie szybszy zapis nowej treści niż w przypadku EEPROM, stąd pochodzi nazwa FLASH - błysk. Jeśli pamięć FLASH jest stosowana w charakterze dysku, to kasowanie całych bloków jest nawet bardzo korzystne. Informacja na dyskach przechowywana jest zawsze w postaci bloków, zwanych sektorami. Zatem zmiana nawet pojedynczego bitu w bloku wymaga ponownego zapisu całego bloku danych, a to właśnie odbywa się w pamięci FLASH.

Do elektrycznego kasowania zawartości bloku komórek wymagane jest wyższe niż normalne napięcie sterujące - zwykle od 12 do 22V. Jednakże pamięci Flash są zasilane pojedynczym napięciem 5V. Potrzebne, wysokie napięcie kasowania jest wytwarzane samodzielnie przez pamięć Flash wewnątrz układu scalonego przy pomocy odpowiednich obwodów powielaczy napięcia. Upraszcza to znacznie zastosowanie tej pamięci w różnych urządzeniach cyfrowych. Pamięć Flash wytrzymuje kilka milionów cykli wymazywania i zapisu. W przypadku stosowania jej w charakterze dysku krzemowego, wystarcza to na około 5 lat pracy.

 

NV-RAM

Nieulotna pamięć RAM (ang. Non Volatile RAM) nie jest pamięcią stałą, tylko zwykłą pamięcią RAM ze zintegrowaną baterią, która podtrzymuje działanie pamięci po wyłączeniu zasilania. W komputerach PC pamięć NV-RAM jest często stosowana do zapamiętywania ustawień płyty głównej. Układ tej pamięci łatwo rozpoznać - ze względu na zawartą w nim baterię jest on dużo wyższy od pozostałych układów scalonych na płycie. Wewnętrzna bateria potrafi podtrzymywać działanie pamięci przez okres około 10 lat. Zaletą NV-RAM w porównaniu z pamięciami typu EEPROM i FLASH jest szybkość działania oraz standardowa obsługa - pamięć może nawet być włączona w przestrzeń adresową procesora i pełnić rolę obszaru pamięci, który nie jest kasowany po wyłączeniu zasilania.

 



List do administratora Serwisu Edukacyjnego Nauczycieli I LO

Twój email: (jeśli chcesz otrzymać odpowiedź)
Temat:
Uwaga: ← tutaj wpisz wyraz  ilo , inaczej list zostanie zignorowany

Poniżej wpisz swoje uwagi lub pytania dotyczące tego rozdziału (max. 2048 znaków).

Liczba znaków do wykorzystania: 2048

 

W związku z dużą liczbą listów do naszego serwisu edukacyjnego nie będziemy udzielać odpowiedzi na prośby rozwiązywania zadań, pisania programów zaliczeniowych, przesyłania materiałów czy też tłumaczenia zagadnień szeroko opisywanych w podręcznikach.



   I Liceum Ogólnokształcące   
im. Kazimierza Brodzińskiego
w Tarnowie

©2017 mgr Jerzy Wałaszek

Dokument ten rozpowszechniany jest zgodnie z zasadami licencji
GNU Free Documentation License.