Основы ФАп. Учебное пособие для студентов высших учебных заведений по специальности
 Скачать 7.93 Mb.
|
6.11. Основы магнитооптической записиЗапись на MD (MiniDisk) ведется с помощью магнитной головки и лазерного луча на специальный магнитооптический слой. Его изготавливают из тербия, феррита и кобальта, что позволяет производить необходимое перемагничивание при записи и перезаписи, затрачивая примерно втрое меньше энергии, чем требуется для других подобных систем. Последнее обстоятельство вкупе со специальной системой магнитной головки делает возможной запись при аккумуляторном питании, а также предохраняет диск от нежелательного повышения температуры [1,2,8, 9,]. При взаимодействии лазерного излучения и намагниченного материала возникает магнитооптический эффект Керра. Поляризация лазерного луча изменяется в зависимости от его попадания на "плюсовой" или "минусовой" участок магнитооптического слоя, оставленный магнитной головкой. Если просто провести магнитом по мини-диску, то с магнитным слоем ничего не произойдет, поскольку его свойства меняются только при нагревании до температуры Кюри. Температура Кюри - это температура, при которой исчезает намагниченность определенного материала. Для мини - дисков она составляет 180° Цельсия. Для записи музыки MD-рекордер фокусирует луч лазера на поверхности диска, нагревая на магнитном слое крошечную точку. Затем магнитная головка, похожая на головку дисковода компьютера, записывает "узор" из единиц и нулей цифрового сигнала на поверхности этого слоя. После того как точка остынет, информация фиксируется до тех пор, пока вы не начнете записывать снова (рис. 6.19). ATRAC (адаптивное трансформирующее кодирование звукового сигнала). Так называется разработанная для формата MiniDisk система сжатия цифровой информации, которая позволяет на каждом мини - диске "разместить" столько же музыки, сколько на CD (74 минуты стереоаудиозаписи), используя при этом только пятую часть той же информации. В противном случае каждый MD "вмещал" бы только 15 минут звуковой информации. Работа системы ATRAC основана на так называемом маскирующем эффекте. Этот психоакустический феномен связан с неспособностью нашего слуха различать громкие и тихие звуки на соседствующих частотах, а также с зависимостью слуховой чувствительности от частоты звука. Разговор на улице, тонущий в грохоте транспортного потока, - вот повседневный пример маскирующего эффекта. Цель ATRAC - свести к минимуму шум переквантования, неизбежный "побочный продукт" оцифровывания аналогового сигнала. Во время записи шум переквантования "прячется" в записываемых частотах на музыкально насыщенных участках.  Рисунок 6.19. Принципиальная схема процесса записи на мини-диск В течение некоторого периода времени ATRAC анализирует музыкальный сигнал и определяет, какая его часть находится в наиболее воспринимаемом слухом диапазоне - среднечастотном. Эта часть записывается точнее всего, а менее важные - "низшие" и "высшие" частоты - регистрируются с меньшей точностью. Длительность этого периода зависит от того, быстро или медленно меняется характер музыкального звучания. Воспроизведение происходит в обратном порядке. 6.12 Запись на флэш – память 6.12.1.Общие понятияТехнология флэш-памяти появилась около 20-ти лет назад. В конце 80-х годов прошлого столетия флэш-память начали использовать в качестве альтернативы UV-EPROM [36]. С этого момента интерес к флэш-памяти с каждым годом неуклонно возрастает. Внимание, которое уделяется флэш-памяти, вполне объяснимо – ведь это самый быстрорастущий сегмент полупроводникового рынка. Ежегодно рынок флэш-памяти растет более чем на 15%, что превышает суммарный рост всей остальной полупроводниковой индустрии. 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, КПК, видеоплатах, роутерах, 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. 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 подачи и нормирования топлива, ведя учет не только работы, но и возникших неполадок. 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 процесс стирания - 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. По работе флэш-память сравнима с модулями оперативной памяти компьютера. Флэш-память Программные алгоритмы помогают осуществить эмуляцию перезаписи байта, используя два параметрических блока размером 8 Кб. 6.12.2. Форматы флеш-карт Если вы посетите сайты производителей флэш-карт в надежде найти там сколько-нибудь полную, доступным языком изложенную информацию о том или ином формате карт, вас, вероятно, постигнет разочарование. Кроме рекламного мусора вы, скорее всего, ничего там не найдёте. За примерами далеко ходить не надо, достаточно посетить раздел, посвящённый MemoryStick на русскоязычном сайте Sony (бредовые выдержки, взятые с этого сайта, можно посмотреть здесь) или Panasonic (раздел, посвящённый SD-Card). На англоязычных сайтах похожая картина [36]. Каждая компания и каждый консорциум находят собственные пиаровские и маркетинговые ходы для того, чтобы продвигать свою продукцию. Порой для пропаганды того или иного форм-фактора флэш-карт выбирается действительно уникальное свойство карточки, однако часто бывает и так, что в рекламных целях производитель откровенно врёт, искажает факты, недоговаривает, или недостаточно чётко формулирует предложения. Часто в описании того или иного формата присутствует обзор общих свойств флэш-карт или цифровых носителей вообще, причем подаётся это так, чтобы у непрофессионала складывалось впечатление, что это свойство присуще только данному типу карт. Например, часто говорится о надёжности или быстродействии карты (без указаний реальных величин), энергонезависимости, или способности карты хранить любые типы файлов. Хочется заметить, что на сегодня не существует компаний-"законодателей" на рынке флэш-памяти. Рынок флэш-карт чрезвычайно молод, на нём ещё не образовались ни лидеры, ни аутсайдеры. То, что одна из компаний-членов какого-нибудь консорциума принимала участие в разработке какого-либо типа флэш-карт, ещё не гарантирует высокое качество её продукции (не будем тыкать пальцами). Очень маленький (физический) размер флэш-карточек, зачастую, выставляется как огромное преимущество, однако на деле всё зависит от того, для чего будет использоваться тот или иной тип карт. Маленькие карточки легко теряются, они дороже "большого" CF почти в два раза, ёмкость их оставляет желать лучшего, производительность - как правило - не такая высокая, как хотелось бы, а разницу в 6-8 грамм нельзя назвать огромной. Устройств, где реально были бы нужны сверхмалые размеры и вес, не так уж много. Для любителя послушать музыку на mp3-плеере или фотографа скорее принципиальна большая ёмкость и доступная цена. Хотя есть, конечно, любители плееров-наушников и "шпионских" фотоаппаратиков, дающих отвратительную картинку. Где небольшим картам нет и не будет замены, так это в мобильных телефонах, да во всевозможных гаджетах и игрушках (типа тех же "шпионских" фотоаппаратов, или роботов-собачек). В настоящее время стандартной файловой системой для большинства флэш-карт является FAT 16. Кроме того, большинство спецификаций различных форм-факторов флэш-карт позволяют вместо флэш использовать ROM. Если говорить о ридерах (Card-Reader – "картоводах") для флэш-карт (устройствах чтения-записи флэш-карт, подсоединяемых к компьютеру), то сегодня существует как минимум 5 разновидностей с интерфейсами USB, PCMCIA (на шине PCI), FireWire, LPT и SCSI. Существуют также PCMCIA-адаптеры для всех типов флэш-карт, и CompactFlash-адаптеры для SD/MMC и xD. Ридеры и адаптеры бывают как на один вид карточек, так и на несколько (2 и более) - так называемые мультиридеры и мультиадаптеры. Использование более "шустрого" интерфейса ридера-адаптера (равно как и любого другого устройства, фотоаппарата, к примеру) ещё не гарантирует высокой скорости обмена данными с картой. Дело в том, что результаты, получаемые в процессе тестирования карты, зависят от многих параметров: типа контроллера карты и устройства чтения, типа самой флэш-памяти, драйверов, на конец пока самыми распространенными являются ридеры с интерфейсом USB. Тема, которой мы совсем не касались – карты CF+. Итак, что же это такое? Если коротко, то CF+ – это расширение спецификации CF, позволяющее реализовывать в форм-факторе CF I/II любое отличное от флэш устройство (например: модем, сетевую карту, Microdrive или адаптер для SD-Card). Так что MemoryStick, в которую "запихнули" GPS, далеко не одинока в своей "универсальности". Подобные спецификации, позволяющие использовать форм-фактор карт не только в качестве "ёмкости" флэш-памяти могут быть приняты и для других типов карт памяти. Ничего удивительного в этом не будет. Что ещё интересного есть в мире CompactFlash? Как известно, SD и MemoryStick снабжены переключателями, защищающими карту от случайной записи/стирания (write protection switch). Так вот, некоторые производители начали встраивать подобные переключатели в карты CF. Отдельно хочется сделать несколько замечаний по SmartMedia. Карточки этого форм-фактора действительно очень лёгкие и тонкие. Сегодня SmartMedia находится приблизительно в одном ценовом диапазоне с CompactFlash (и SmartMedia и CF сегодня приблизительно в 2 раза дешевле MMC, SD и MS соответствующего объёма). Однако SmartMedia сильно проигрывает CF в надёжности, кроме того, максимальный объем карточки SmartMedia сегодня составляет 128MB, а CompactFlash (и I, и II типа) уже достигли ёмкости 1Гб. Если брать "маленькие" карточки с последовательным интерфейсом (MMC, SD и MemoryStick), то на сегодня самая высокая производительность, механическая прочность и цена у SD-Card, а наименьшими размерами может похвастаться MMC. 6.12.3. Организация 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. Наличие или отсутствие заряда кодирует один бит информации (рис.6.20). 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 - а логическая "1".(рис.6.20)  Рисунок 6.20. Современная флэш-память обычно изготавливается по 0,13- и 0,18-микронному техпроцессу. 6.12.4. Общий принцип работы ячейки флэш-памяти Рассмотрим простейшую ячейку флэш-памяти на одном n-p-n транзисторе. Ячейки подобного типа чаще всего применялись во flash-памяти с NOR архитектурой, а также в микросхемах EPROM. Поведение транзистора зависит от количества электронов на "плавающем" затворе. "Плавающий" затвор играет ту же роль, что и конденсатор в DRAM, т. е. хранит запрограммированное значение. Помещение заряда на "плавающий" затвор в такой ячейке производится методом инжекции "горячих" электронов (CHE - channel hot electrons), а снятие заряда осуществляется методом квантомеханического туннелирования Фаулера-Нордхейма (Fowler-Nordheim [FN]).  Рисунок 6.21. При чтении, в отсутствие заряда на "плавающем" затворе, под воздействием положительного поля на управляющем затворе, образуется n-канал в подложке между истоком и стоком, и возникает ток (рис.6.21).  Рисунок 6.22 Наличие заряда на "плавающем" затворе меняет вольт-амперные характеристики транзистора таким образом, что при обычном для чтения напряжении канал не появляется, и тока между истоком и стоком не возникает (рис. 6.22)  Рисунок 6.23 При программировании на сток и управляющий затвор подаётся высокое напряжение (причём на управляющий затвор напряжение подаётся приблизительно в два раза выше). "Горячие" электроны из канала инжектируются на плавающий затвор и изменяют вольт-амперные характеристики транзистора. Такие электроны называют "горячими" за то, что обладают высокой энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, создаваемого тонкой плёнкой диэлектрика (рис. 6.23).  Рисунок 6.24 При стирании высокое напряжение подаётся на исток (рис.6.24). На управляющий затвор (опционально) подаётся высокое отрицательное напряжение. Электроны туннелируют на исток. Эффект туннелирования - один из эффектов, использующих волновые свойства электрона. Сам эффект заключается в преодолении электроном потенциального барьера малой "толщины". Для наглядности представим себе структуру, состоящую из двух проводящих областей, разделенных тонким слоем диэлектрика (обеднённая область). Преодолеть этот слой обычным способом электрон не может - не хватает энергии. Но при создании определённых условий (соответствующее напряжение и т.п.) электрон проскакивает слой диэлектрика (туннелирует сквозь него), создавая ток. Важно отметить, что при туннелировании электрон оказывается "по другую сторону", не проходя через диэлектрик. Такая вот "телепортация Процедуры стирания и записи сильно изнашивают ячейку флэш-памяти, поэтому в новейших микросхемах некоторых производителей применяются специальные алгоритмы, оптимизирующие процесс стирания-записи, а также алгоритмы, обеспечивающие равномерное использование всех ячеек в процессе функционирования. Следует заметить, что существуют другие методы программирования и стирания ячейки, которые успешно используются на практике, однако два описанных нами применяются чаще всего. 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. 6.12.5. Виды ячеек памяти Некоторые виды ячеек флэш-памяти на основе МОП-транзисторов с "плавающим" затвором (рис.6.25):  Рисунок 6.25 Другие виды ячеек: Кроме наиболее часто встречающихся ячеек с "плавающим" затвором, существуют также ячейки на основе SONOS-транзисторов, которые не содержат плавающего затвора. SONOS-транзистор напоминает обычный МНОП (MNOS) транзистор. В SONOS-ячейках функцию "плавающего" затвора и окружающего его изолятора выполняет композитный диэлектрик ONO. Расшифровывается SONOS (Semiconductor Oxide Nitride Oxide Semiconductor) как Полупроводник – Диэлектрик - Нитрид - Диэлектрик - Полупроводник. Вместо давшего название этому типу ячейки нитрида в будущем планируется использовать поликристаллический кремний. 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. Существует три основных типа доступа: •обычный произвольный асинхронный доступ к ячейкам памяти. • пакетный 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 асинхронный, блоками по 4 или 8 слов. Преимущества: очень быстрый произвольный доступ в пределах текущей страницы. Недостаток: относительно медленное переключение между страницами. Контрольные вопросы к главе 6 |