Контроллер динамической памяти. Функции контроллера кэш - памяти

В качестве примера реализации принципов прямого доступа к памяти (ПДП) рассмотрим микросхему КР580ВТ57. Программируемый контроллер ПДП предназначен для высокоскоростного обмена данными между памятью системы и че­тырьмя внешними устройствами (ВУ).

Контроллер осуществляет двунаправленный обмен данными между памятью и ВУ (по требованию ВУ), при этом в адресном канале микропроцессорной систе­мы формируются параметры заданного массива адресов ячеек памяти (началь­ный адрес и число циклов) и управляющие сигналы. Каждый из четырех каналов контроллера обеспечивает адресацию (путем инкрементирования выработанного адреса) внешней памяти массивами объемом до 16К байт с возможностью зада­ния любого из 64К начальных адресов.

Состав контроллера ПДП

В контроллере можно выделить следующие блоки (рис. 3.11.1): блок обработки запросов, формирователь адреса, блок логики чте­ния–записи, блок управления, буфер данных и два регистра - регистр установки режима и регистр состояния каналов. Рассмотрим их особенности.

Блок обработки запросов предназначен:

● для приема сигналов запроса ЗПДП0–ЗПДП3 на прямой доступ к памяти от ВУ;

● для маскирования входов каналов К0–К3;

● для выдачи сигналов подтверждения запроса ¯ППДП0 – ¯ППДП3 прямого доступа к памяти, информирующих ВУ о готовности контроллера к обмену данными по каналу ПДП.

Формирователь адреса содержит 16–разрядные регистры начального адреса (РНА0…РНА3) и числа циклов (РЧЦ0…РЧЦ3), схему инкремента–декремен­та, триггер. В процессе выполнения программы начальной установки в РНА запи­сывается начальный адрес ячейки памяти, к которой будет обращаться ВУ по ка­налу ПДП. В 14 младших разрядов регистра числа циклов РЧЦ заносится число N – 1, где N - число циклов. Два старших разряда этого регистра используются для управления обменом по каналу ПДП.

В каждом цикле из РНА считывается два байта адреса. Триггер обеспечивает порядок считывания: старший байт выводится через буфер данных на ШД, а младший байт адреса - по шинам А0…А3, А4…А7. По завершении цикла схема инкремента–декремента содержимое РНА увеличивает, а содержимое РЧЦ умень­шает на единицу. Следует отметить, что выводы контроллера А4…А7 всегда ис­пользуются как выходы для разрядов А4…А7 кода адреса, а выводы А0…А3 ис­пользуются:

• как выходы для передачи младших разрядов кода адреса при работе канала ПДП;
• как входы для выбора регистра, с которым будет происходить обмен инфор­мацией. Такая необходимость возникает при записи программы начальной установки в контроллер ПДП, а также при чтении содержимого адресного ре­гистра, регистра числа циклов или регистра состояния.

Блок логики чтения–записи

осуществляет прием, формирование и выда­чу сигналов, обеспечивающих обмен информацией между процессором и контрол­лером ПДП, памятью и ВУ. Блок логики чтения–записи имеет следующие выводы:

● ¯Зп - двунаправленный управляющий трехстабильный вход/выход, использу­емый:

Как вход для получения сигнала из процессора на запись данных во внут­ренние регистры контроллера ПДП при его начальной установке;

Как выход, на котором формируется сигнал, разрешающий внешнему уст­ройству запись данных из памяти;

● ¯Чт - двунаправленный трехстабильный управляющий вход/выход, использу­емый:

Как вход для получения из процессора сигнала, разрешающего чтение (вы­вод) содержимого внутренних регистров контроллера;

Как выход для выдачи сигнала на разрешение считывания данных из ВУ в память;

● ¯ЧтП, ¯ЗпП - выходы для управления чтением из памяти и записью в память;

● ¯ВК - вход (выбор кристалла), на который подается нулевой сигнал выбора микросхемы после того, как установлены сигналы записи или чтения. Сигнал ¯ВК инициирует обмен данными между процессором и внутренними регистра­ми контроллера ПДП при программировании; автоматически блокируется в режиме прямого доступа. Вход ¯ВК подключается к ША микропроцессорной системы непосредственно или через дешифратор.

Выводы ¯Зп, ¯Чт подключаются к процессору как входы и к ВУ как выходы, а вы­ходы ¯ЗпП, ¯ЧтП - к памяти микропроцессорной системы.

На этапе начальной установки в формирователе адреса дешифрируются младшие разряды А3…А0 кода адреса и после поступления от процессора сигна­лов ¯Зп, ¯Чт организуется запись или чтение программно доступных регистров устройства ПДП. При работе в цикле ПДП логические цепи блока чтения–записи формируют пары сигналов ¯Чт, ¯ЗпП и ¯Зп, ¯ЧтП на выходах устройства, обеспечи­вающих тактирование процесса обмена данными между ВУ и памятью.

Блок управления

регламентирует последовательность операций в течение всех циклов ПДП с помощью управляющих сигналов, а также осуществляет пере­ход контроллера из состояния ожидания в состояние обслуживания по сигналу подтверждения захвата (ПЗх). Блок управления имеет следующие выводы:

• ЗЗх (Н RQ) - выход, с которого снимается сигнал запроса захвата для микро­процессора;
• ПЗх (HLDA) - вход, на который поступает сигнал подтверждения захвата от микропроцессора;
• Гт (RDY)- управляющий вход готовности. Сигнал Гт = 1 от ВУ активизирует работу контроллера ПДП; сигнал Гт = 0 переводит контроллер в состояние ожидания;
• М128 - выход маркер 128–го цикла: М128 = 1 свидетельствует о том, что те­кущий цикл ПДП является по счету 128–м циклом от конца массива данных;
• КС (ТС) - выход конец счета: КС = 1 указывает ВУ, что текущий цикл обмена по каналу ПДП является последним при передаче массива данных. Если раз­ряд «КС–стоп» в регистре установки режимов установлен в 1, то канал будет запрещен. Выход КС активизируется (КС = 1), когда содержимое 14–разряд­ного регистра числа циклов в данном канале устанавливается в 0;
• РА (АЕ) - выход разрешения адреса: РА = 1 указывает системе, что происхо­дят циклы прямого доступа. При этом все шины отключаются от микропроцес­сора. Сигнал может быть использован для блокировки адресной шины в уст­ройствах, не участвующих в прямом доступе, а также для записи старших восьми разрядов кода адреса в буферный регистр адреса и отключения схе­мы выборки устройства. В режиме ПДП выборка устройства осуществляется сигналами ¯ППДП0 – ¯ППДП3;
• СтА (STBA) - выходстроб адреса, сигнал которого стробирует старший байт адреса памяти, передаваемый через ШД в дополнительный буфер данных. Через этот буфер старший байт адреса поступает на адресную шину микро­процессорной системы;
• ТИ - вход для тактовых импульсов;
• Сброс -вход начальной установки устройства. Подача единичного сигнала на этот вход обнуляет содержимое всех программно доступных регистров, что приводит к отключению каналов К0 – К3.

Буфер данных представляет собой 8–разрядную двунаправленную шину с тремя состояниями, соединяющую контроллер ПДП с системной шиной дан­ных ШД.

Через буфер данных:

• при программировании в режиме записи восемь бит данных D 7… D 0 из мик­ропроцессора передаются в контроллер ПДП для записи в регистр начально­го адреса, регистр числа циклов или регистр установки режима; при чтении процессором из устройства ПДП выводится содержимое регистра начально­го адреса, регистра числа циклов и регистра состояния каналов;
• приработе канала ПДП в начале каждого цикла старшие восемь разрядов ад­реса передаются из адресного регистра соответствующего канала в память. Затем ШД освобождается для непосредственного обмена данными между па­мятью и ВУ в течение оставшейся части цикла. Эти данные через устройство ПДП не проходят.

Регистр установки

режимов хранит информацию о запрограммированных режимах автозагрузки, удлиненной и обычной записи, фиксированного приорите­та и циклического сдвига приоритетов, КС–стоп и др. В него при программировании контроллера ПДП записывается 8–разрядное управляющее слово. Регистр установки режима обычно загружается после того, как установлены регистр ад­реса (РгА) и регистр циклов (РгЦ). Назначение разрядов регистра установки режимов приведено в табл. 3.11.1.

Регистр состояния каналов

указывает, в каком из четырех каналов окончился процесс передачи массива. Для этого в младшие разряды РС0–РС3 (флаги завершения обслуживания) записывается значение сигнала КС = 1 конца счета, появляющегося на выходе КС и указывающего на конец массива по соот­ветствующему каналу. Назначение разрядов регистра установки режимов приве­дено в табл. 3.11.2.

Основные состояния и режимы работы устройства.

Основными состояния­ми являются исходное состояние, программирование, ожидание и обслуживание.

Исходное состояние.

При поступлении на вход Сброс единичного сигна­ла устройство переходит в исходное состояние. В этом состоянии маскируются запросы всех каналов ПДП (Р0 = Р1 = Р2 = Р3 = 0), буферные схемы шины А0…А3 переводятся в состояние приема информации.

Программирование.

В состоянии программирования устройства микро­процессор по шине данных (ШД - D 0… D 7) осуществляет запись начального ад­реса, числа циклов и других данных в соответствующие регистры, адрес которых задается кодом А 3 А 2 А 1 А 0 на шинах А0–А3 (табл. 3.11.3). Старший разряд А3 кода позволяет различать при А3 = 0 -регистры каналов К0…К3; при А3 = 1 -регистр установки режимов (работает только на запись) ирегистр состояния каналов (ра­ботает только на чтение). Младший разряд А0 выбирает регистры начального ад­реса (А0 = 0) и числа циклов (А0 = 1). Два средних разряда А 2 А 1 указывают номера регистров (или каналов) в двоичном коде. Например, код 0101 соответствует РЧЦ2 - регистру числа циклов канала 2. Регистры контроллера ПДП загружаются или из них считывается информация, если микропроцессор выполняет команду записи или чтения путем обращения к устройству и его регистрам. Для этого микропроцессору необходимо выдать соответствующие сигналы записи ¯Зп или чтения ¯Чт и на системные адресные шины ША выставить адрес регистра в виде кода А 3 А 2 А 1 А 0 . В это время на шину данных ШД подается необходимая информа­ция D 7… D 0 для записи в регистры или через шину данных ШД читается информа­ция из котроллера ПДП. Для установки состояния программирования необходимо также подать сигнал выборки устройства ¯ВК = 0. В связи с тем, что регистры кана­лов являются 16–разрядными, для их загрузки или чтения требуется два про­граммных командных цикла. Вформирователе адреса контроллера имеется триг­гер, который автоматически переключает цепи во время операции чтения или за­писи. Этот триггер определяет доступ к старшему или младшему байтам регистра. Сбрасывается триггер подачей единичного сигнала на входСброса, а также вся­кий раз при загрузке регистра установки режима.

Для обеспечения соответствующей синхронизации при обращениях к регист­рам канала все команды должны поступать от микропроцессора парами, не долж­но быть разрывов между ними.

Ожидание.

В состоянииожидания контроллер принимает от ВУ сигнал за­проса на получение цикла ПДП (ЗПДП0–ЗПДП3) и вырабатывает для микропро­цессора сигнал запроса захвата (ЗЗх). В этом состоянии системные шины нахо­дятся под управлением микропроцессора.

Обслуживание.

После поступления от микропроцессора сигнала подтверж­дения захвата (ПЗх) при наличии сигнала запроса (ЗПДП0 – ЗПДП3) от ВУ контрол­лер вырабатывает сигнал подтверждения запроса (¯ППДП0 – ¯ППДП3) для одного из ВУ и переходит всостояние обслуживания. В этом состоянии системные шины находятся под управлением контроллера, и реализуется один из запрограм­мированных режимов ПДП:

• младшие 8 разрядов адреса памяти поступают на шины А0–А3, А4–А7, стар­шие 8 разрядов - на шину данных ШД;
• формируются соответствующие сигналы управления ¯ЧтП и ¯ЗпП, ¯Зп и ¯Чт, ко­торые позволяют ВУ получить из ячейки памяти или передать в ячейку памя­ти за один цикл байт данных.

В первом цикле работы устройство ПДП передает начальный адрес ячейки па­мяти. В последующих циклах адрес увеличивается, а число циклов уменьшается на единицу, до тех пор, пока содержимое регистра числа циклов (вернее его 14 раз­рядов) не станет равным нулю. После этого формируется сигналконца счета КС и возможны следующие режимы работы:

• дальнейшее наращивание адреса прибавлением единицы после очередного цикла;
• блокировка канала ПДП (режим «КС–стоп»);
• повторение ранее выбранного массива адресов (режим автозагрузки).

В процессе выполнения циклов ПДП возможны три режима работы:

• режим чтения, обеспечивающий передачу данных из памяти во ВУ;
• режим записи, обеспечивающий передачу данных из ВУ в память;
• режим проверки. Вэтом режиме контроллер ПДП не генерирует сигналы ¯ЧтП, ¯ЗпП, ¯Чт и ¯Зп, что предотвращает обмен данными между памятью и ВУ. Однако в каждом цикле контроллер ПДП осуществляет управление системной шиной и подтверждает запросы ВУ. Внешние устройства могут использовать сигналы подтверждения для разрешения внутреннего доступа к каждому бай­ту в массиве данных, чтобы выполнить некоторые операции проверки. Мас­сив циклов проверки может следовать за массивом циклов чтения, чтобы раз­решить ВУ проверить вновь поступившие данные.

В основе любой flash-памяти лежит кристалл кремния, на котором сформированы не совсем обычные полевые транзисторы. У такого транзистора есть два изолиро­ванных затвора: управляющий (control) и плавающий (floating). Последний спо­собен удерживать электроны, то есть заряд. В ячейке, как и у любого полевого транзистора, есть сток и исток (рис. 4.1). В процессе записи на управляющий затвор подается положительное напряжение и часть электронов, движущихся от стока к истоку, отклоняется к плавающему затвору. Некоторые из электронов преодоле­вают слой изолятора и проникают (диффундируют) в плавающий затвор. В нем они могут оставаться в течение многих лет.

Концентрация электронов в области плавающего затвора определяет одно из двух устойчивых состояний транзистора - ячейки памяти. В первом, исходном, состоя­нии количество электронов на плавающем затворе мало, а пороговое напряжение открытия транзистора относительно невысоко (логическая единица). Когда на плавающий затвор занесено достаточное количество электронов, транзистор ока­зывается во втором устойчивом состоянии. Напряжение открытия его резко уве­личивается, что соответствует логическому нулю. При считывании измеряется

Рис. 4.1. Ячейка flash-памяти

пороговое напряжение, которое нужно подать на сток для открытия транзистора. Для удаления информации на управляющий затвор кратковременно подается от­рицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора диффундируют об­ратно на исток. Транзистор вновь переходит в состояние логической единицы и остается в нем, пока не будет произведена очередная запись. Примечательно, что во flash-памяти один транзистор хранит один бит информации - он и является ячейкой. Весь процесс «запоминания» основан на диффузии электронов в полу­проводнике. Отсюда следуют два не очень оптимистичных вывода.

Время хранения заряда очень велико и измеряется годами, но все же ограниче­но. Законы термодинамики и диффузии гласят, что концентрация электронов в разных областях рано или поздно выровняется.

По той же причине ограничено количество циклов записи-перезаписи: от ста тысяч до нескольких миллионов. Со временем неизбежно происходит деграда­ция самого материала и р-п-переходов. Например, карты Kingston Compact Flash рассчитаны на 300 ООО циклов перезаписи. Transcend Compact Flash - на

1 ООО ООО, а flash-диск Transcend 32 Gb USB – всего на 100 ООО.

Существуют две архитектуры flash-памяти. Они отличаются способом обращения к ячейкам и, соответственно, организацией внутренних проводников.

Память NOR (ИЛИ-НЕ) позволяет обращаться к ячейкам по одной. К каждой ячейке подходит отдельный проводник. Адресное пространство NOR-памяти позволяет работать с отдельными байтами или словами (каждое слово содержит

2 байта). Такая архитектура накладывает серьезные ограничения на максималь­ный объем памяти на единице площади кристалла. Память NOR сегодня используется лишь в микросхемах BIOS и других ПЗУ малой емкости, например в сотовых телефонах.

В памяти архитектуры NAND (И-НЕ) каждая ячейка оказывается на пересече­нии «линии бит» и «линии слов». Ячейки группируются в небольшие блоки по аналогии с кластером жесткого диска. И считывание, и запись осуществляются лишь целыми блоками или строками. Все современные съемные носители по­строены на памяти NAND.

Крупнейшими производителями NAND-чипов являются компании Intel, Micron Technology, Sony и Samsung. Ассортимент выпускаемых чипов довольно велик, а обновление его происходит несколько раз в год.

Контроллеры

Для управления чтением и записью служит контроллер памяти. В настоящее вре­мя контроллер всегда выполняется в виде отдельного элемента (это либо микро­схема одного из стандартных форм-факторов, либо бескорпусный чип, встраиваемый в карту памяти), хотя ведутся работы по интеграции контроллера непосредственно в кристалл flash-памяти.

Контроллеры разрабатываются и выпускаются под совершенно определенные микросхемы flash-памяти. Способ адресации ячеек конструктивно заложен в кон­троллере. Данные при записи в микросхему flash-памяти располагаются опреде­ленным способом, меняющимся от модели к модели. Производители эти тонкости держат в секрете и, по всей видимости, раскрывать не планируют. Очевидно, мик­ропрограмм контроллеров создается значительно больше, чем самих моделей кон­троллеров. Микропрограмма контроллера (прошивка) и таблица трансляции ад­ресов (транслятор) записываются в служебную область flash-памяти. Именно эту область контроллер начинает считывать сразу после подачи на него питания. Кро­ме собственно адресации ячеек, контроллер выполняет ряд других функций: функ­ции контроля bad-секторов, коррекции ошибок (ЕСС - error check and correct) и равномерности износа ячеек (wear leveling).

Технологической нормой при изготовлении микросхем памяти считается наличие в них в среднем до 2 % нерабочих ячеек. Со временем их количество может увели­чиваться, поэтому, как и в винчестерах, во flash-памяти предусмотрен резервный объем. Если появляется дефектный сектор, контроллер в процессе форматиро­вания или записи подменяет его адрес в таблице размещения файлов адресом сектора из резервной области. Коррекция осуществляется контроллером, но реа­лизуется на уровне файловой системы конкретного носителя.

Из-за ограниченного ресурса ячеек (порядка нескольких миллионов циклов чтения/ записи для каждой) в контроллер заложена функция учета равномерности износа. Чтобы запись информации осуществлялась равномерно, свободное пространство условно разбивается на участки, и для каждого из них учитывается количество операций записи. Статистика циклов заносится в скрытую служебную область памяти, и за этими сведениями контроллер периодически обращается к ней. На ад­ресацию это не влияет.

Конструкция flash-диска USB

Несмотря на разнообразие корпусов, все flash-диски USB устроены одинаково. Если половинки корпуса соединены защелками, они обычно легко разъединяются. Водонепроницаемые или ультрамодные корпусы приходится вскрывать разру­шающими методами, например разрезать.

На плате внутри flash-диска USB (рис. 4.2) обязательно присутствуют две микро­схемы: чип памяти и контроллер. На обеих нанесена заводская маркировка. Иногда плата несет два чипа flash-памяти, которые работают в паре. Обвязка микросхем состоит из нескольких резисторов и диодов, стабилизатора питания и кварцевого резонатора. В последнее время стабилизатор все чаще встраивается непосред­ственно в контроллер и количество навесных элементов сокращается до минимума. Кроме того, на плате могут находиться светодиодный индикатор и миниатюрный переключатель для защиты от записи.

Рис. 4.2. Устройство flash-диска

Разъем USB припаян непосредственно к плате. Места пайки контактов во многих моделях являются довольно уязвимыми, поскольку на них приходится механиче­ская нагрузка при подключении и отключении устройства.

Виды и конструкция карт памяти

Многие компании время от времени предлагали пользователям разные конструк­ции карт памяти. За редкими исключениями все они несовместимы между собой по количеству и расположению контактов и электрическим характеристикам, Flash-карты бывают двух типов: с параллельным (parallel) и последовательным (serial) интерфейсом.

В табл. 4.1 перечислены 12 основных типов карт памяти, которые встречаются в настоящее время. Внутри каждого типа существуют свои дополнительные раз­новидности, с учетом которых можно говорить о существовании почти 40 видов карт.

Таблица 4.1. Типы карт памяти

Тип карты памяти	Габаритные размеры (мм)	Максимальная конструктивная	Интерфейс
CompactFlash (CF)			Параллельный 50 контактов
			Последовательный 9 контактов
MultiMedia Card (ММС)			Последовательный 7 контактов
			Последовательный 7 контактов
Highspeed ММС			Последовательный 13 контактов
			Последовательный 10 контактов
Memory Stick PRO			Последовательный 10 контактов
Memory Stick Duo			Последовательный 10 контактов
SmartMedia (SSFDC)			Параллельный 22 контакта
			Параллельный 22 контакта
			Последовательный 8 контактов

Карты ММС могут работать в двух режимах: ММС (MultiMedia Card) и SPI (Serial Peripheral Interface). Режим SPI является частью протокола ММС и используется идя коммуникации с каналом SPI в микроконтроллерах компании Motorola и не­которых других производителей.

В слот для карты SD (Secure Digital) можно вставить карту ММС (MultiMedia Card), но не наоборот. В контроллер карты SD заложено аппаратное шифрование данных, а сама память снабжена специальной областью, в которой хранится ключ шифрования. Сделано это для того, чтобы препятствовать нелегальному копиро­ванию музыкальных записей, для хранения и продажи которых и задумывался такой носитель. На карте сделан переключатель защиты от записи (write protection switch).

Карты CompactFlash (CF) легко можно вставить в разъем PCMCIA Туре II. Несмотря на то что у PCMCIA 68 контактов, а у CF - только 50, конструкция карт CompactFlash обеспечивает полную совместимость и обладает всеми функциональ­ными возможностями формата PCMCIA-AT А.

Все карты памяти Memory Stick (стандарт корпорации Sony) относительно совмес­тимы между собой. Стандартом теоретически предусмотрен объем карты памяти до 2 Тбайт, хотя в реальности емкость достигает единиц гигабайт.

Карты SmartMedia практически вышли из употребления, их можно встретить только в очень старых цифровых камерах. Примечательно, что это был единственный стан­дарт, в котором контроллер находился не внутри карты, а в устройстве считывания.

Конструкция карт памяти неразборная - это непригодное для ремонта устройство. Бескорпусные микросхемы вместе с выводами залиты в компаунд и все вместе спрессованы в пластиковую оболочку. Добраться до кристалла можно лишь путем вскрытия устройства, но при этом почти неизбежно повреждение проводников.

Устройства считывания

Для считывания flash-диска USB достаточно обычного порта USB: компьютер видит подобные устройства как стандартный съемный диск благодаря их контрол­леру. Контроллеры всех карт памяти обращены к компьютеру последовательными или параллельными интерфейсами - контактами на карте. Для каждого из этих интерфейсов нужен соответствующий переходник - дополнительный контроллер, согласующий данный интерфейс со стандартным портом USB.

Кард-ридер - устройство, состоящее из одного или нескольких подобных контрол­леров, преобразователя питания и разъемов для разных карт памяти (рис. 4.3). Питание осуществляется от источника +5 В через кабель USB.

Рис. 4.3. Кард-ридер

Чаще всего встречаются «комбайны», рассчитанные на несколько типов карт: от 6 до 40. Слотов в кард-ридере гораздо меньше, так как каждое гнездо использу­ется для нескольких типов карт, близких по размерам и расположению контактов. По своим характеристикам разные модели практически равноценны, а различа­ются, главным образом, количеством поддерживаемых типов карт и конструк­цией.

Логическая организация

Прежде чем перейти к файловым системам flash-накопителей, нужно вспомнить об архитектуре NAND. В этой часто используемой памяти и чтение, и запись, и уда­ление информации происходят лишь блоками.

На жестких и гибких дисках величина блока составляет 512 байтов, не считая 59 служебных байтов, которые видны только контроллеру винчестера. Все файло­вые системы создавались именно с учетом этих значений. Проблема в том, что во flash-памяти величина блока стирания, за редким исключением, не совпадает с величиной стандартного дискового сектора в 512 байтов и обычно составляет 4,8 и даже 64 Кбайт. С другой стороны, для обеспечения совместимости блок чте­ния/записи должен совпадать с величиной дискового сектора.

Для этого блок стирания разбивается на несколько блоков чтения/записи с разме­ром 512 байтов. На практике блок чуть больше: кроме 512 байтов для данных, в нем еще есть «хвост» (Tail) длиной 16 байтов для служебной информации о самом блоке. Физически расположение и количество блоков чтения/записи ничем не ограничены. Единственное ограничение - блок чтения/записи не должен пересе­кать границу блока стирания, так как он не может принадлежать двум разным блокам стирания.

Блоки чтения/записи делятся на три типа: действительные, недействительные и дефектные. Блоки, которые содержат записанные данные и принадлежат какому-либо файлу, являются действительными. Использованные блоки с устаревшей информацией считаются недействительными и подлежат очистке. Категорию де­фектных составляют блоки, не поддающиеся записи и стиранию.

Еще одна особенность flash-памяти состоит в том, что запись информации возмож­на только на предварительно очищенное от предыдущей информации пространст­во. Когда необходимо записать информацию, микропрограмма контроллера долж­на решить, какие недействительные блоки нужно перед этим стереть. В большей части микропрограмм вопрос удаления недействительных блоков решается про­стейшим способом: как только определенная часть емкости flash-диска оказывает­ся заполнена информацией, автоматически запускается механизм очистки недей­ствительных блоков.

Для увеличения срока службы памяти используется технология управления изно­сом (wear-leveling control), которая продлевает жизненный цикл кристалла памя­ти за счет равномерного распределения циклов записи/стирания блоков памяти. Побочный эффект - выход из строя одного блока памяти - не сказывается на работе остальных блоков памяти того же кристалла. Неподвижные блоки принад­лежат файлам, которые долго или вообще никогда не изменялись и не перемеща­лись. Наличие неподвижных блоков данных приводит к тому, что оставшаяся часть ячеек подвергается усиленному износу и быстрее расходует свой ресурс. Микро­программа учитывает такие блоки и по мере необходимости перемещает их содер­жимое в другие ячейки.

Файловые системы flash-дисков и карт памяти, на первый взгляд, хорошо знакомы пользователям по жестким и гибким дискам. Это FAT16, реже FAT32: именно так предлагает отформатировать диск операционная система Windows. Стандартными средствами Windows ХР и Windows 7 диск можно отформатировать и в систему NTFS! Для этого нужно предварительно зайти в Диспетчер устройств и в окне свойств подключенного flash-диска на вкладке Политика выбрать значение Оптимизация для быстрого выполнения. Специальные программы от производителей, например HP USB Disk Storage Format Tool, позволяют форматировать flash-диски в NTFS и без таких усилий.

Однако внешнее сходство файловых систем твердотельных накопителей и обыч­ных винчестеров обманчиво. Файловая система flash-памяти (Flash File System, FFS) лишь эмулирует обычный дисковый накопитель и состоит из блоков управ­ления и блока инициализации. На самом деле об истинном расположении и адре­сации блоков памяти знает только контроллер flash-диска или карты памяти.

Это очень существенно при разных способах восстановления содержимого микро­схемы flash-памяти. При считывании микросхемы памяти через ее «родной» кон­троллер в файле образа оказывается последовательность блоков в порядке их но­меров или смещений. В начале находятся заголовок и таблица файловой системы. Если же считывание производится на программаторе, в начальных блоках дампа расположена служебная информация, а блоки с данными перемешаны почти бес­порядочно. При этом служебная информация вряд ли будет полезна, поскольку она всецело зависит от модели контроллера и его прошивки - правильную после­довательность блоков приходится составлять с большим трудом.

Некоторые фотоаппараты работают только с файловой системой RAW Способ записи фотографий на носитель с такой файловой системой, а также особенности форматирования самой карты зависят от модели аппарата и даже прошивки той или иной модели. Этот формат не стандартизирован и имеет много разновидностей. Обычно данные с таких карт могут восстановить лишь сервисные программы от изготовителя фотокамеры, а в качестве кард-ридера желательно использовать сам фотоаппарат.

Рис. 4.4. Окно форматирования flash-диска в Windows Vista SPl

Нововведением является файловая система exFAT (Extended FAT - расширенная FAT). Поддержка этой специально разработанной для flash-дисков файловой системы впервые появилась в Windows Embedded СЕ 6.0. С exFAT работают Windows Vista Service Pack 1 и Windows 7 (рис. 4.4).

Назначение новой файловой системы - постепен­ная замена FAT и FAT32 на flash-накопителях. В ней заложены некоторые черты, которые ранее были присущи только файловой системе NTFS:

Преодолено ограничение в размере файла в 4 Гбайт: теоретически лимит составляет 2^ байтов (16 эксабайтов);

Улучшено распределение свободного места за счет введения битовой карты свободного мес­та, что уменьшает фрагментацию диска;

Снят лимит на количество файлов в одной директории;

Введена поддержка списка прав доступа.

Насколько скоро эта файловая система станет нормой для flash-накопителей, по­кажет время. Видимо, это произойдет не раньше, чем на операционную систему Windows 7 перейдет подавляющее большинство пользователей.

Иногда при разработке устройства возникает потребность сохранять какие-либо данные в энергонезависимую память. В таких случаях обычно используют внутреннюю EEPROM микроконтроллера. Если её недостаточно, то как правило применяются внешние микросхемы EEPROM из серии 24lxx. Микросхемы этой серии очень популярны. Чаще всего их можно встретить в старых мобильных телефонах, некоторых материнских платах, картриджах от принтеров да еще много где. Цена данных микросхем тоже очень привлекательная. Например 24LC16 у нас стоит 11 рублей.
Данная микросхема выпускается в различных корпусах, самые популярные из которых это DIP и SOIC. Микросхема имеет следующую распиновку:

Как видите выводов совсем немного. Итак попробуем разобраться для что к чему.
A0, A1, A2 — в данной микросхеме не используются. Их можно подсоединить к земле или к плюсу питания. В некоторых других микросхемах серии 24lxx, этими выводами можно задавать адрес микросхемы, для того чтобы можно было подсоединить на одну шину i2c аж сразу 8 микрух памяти.
Vss — земля.
SDA — линия данных
SCL — линия тактовых импульсов
WP — Защита от записи. Когда на данном выводе логический 0, то запись в память разрешена. Если подать логическую единицу, то возможно только чтение из памяти.
Vcc — питание микросхемы. Согласно даташиту питается она напряжением от 2.5 вольта до 5.5 вольта.

Подключение к контроллеру.
Подключить память к МК очень просто. Из обвязки потребуются только пара резисторов сопротивлением около 4.7 кОм.

Программное обеспечение

Для работы с памятью была разработана библиотека реализующая следующие функции:

i2c_init — настраивает скорость тактовых импульсов идущих по линии SCL.

Микросхема 24LC16 поддерживает частоту до 400 кГц. Рассчитать частоту можно так:

CPU Clock frequency — частота на которой работает микроконтроллер

TWBR — число записанное в одноименный регистр.

TWPS — предделитель. Значения предделителя задаются битами TWPS1 и TWPS0 в регистре TWSR

Для контроллера Atmega 32 справедлива такая таблица:

i2c_start — отсылает стартовую посылку

i2c_stop — отсылает стоповую посылку

i2c_send — отсылает байт

i2c_recive — принимает байт

i2c_recive_last — принимает последний байт. Отличие от предыдущей функции состоит в том, что когда байт принят, микроконтроллер не отсылает бит подтверждения. Если при приёме последнего байта использовать i2c_recive то линия SDA останется прижатой к земле.

Запись данных в микросхему памяти

Записывать данные можно как в произвольном порядке так и постранично. Поскольку на шине i2c могут быть сразу несколько устройств, то для того чтобы обратится к какому либо устройству нужно знать его семибитный адрес. Адрес микросхемы 24LC16 в двоичном виде выглядит так:

Биты A,B,C служат для выбора блока памяти. Блоков памяти в микросхеме 8 штук по 256 байт каждый. Соответственно биты ABC принимают значения от 000 до 111.

Для того чтоб записать в микросхему байт нужно выполнить следующую последовательность действий:

1. Инициализировать интерфейс i2c
2. Отослать стартовую посылку
3. Отослать адрес микросхемы+адрес блока памяти
4. Отослать адрес ячейки памяти в которую будет производится запись
5. Отослать байт данных
6. Отослать стоповую посылку

Пример: Нужно записать байт 0xFA по адресу 0x101 .

rcall i2c_init
rcall i2c_start
ldi temp,0b 1010 001 0 //Адрес микросхемы где:
// 1010 - адрес микросхемы
// 001 - адрес блока памяти (Ячейка 0x101 принадлежит блоку 1)
// 0
rcall i2c_send
ldi temp,1 //Адрес ячейки памяти. (блок 1, ячейка 1)
rcall i2c_send
ldi temp,0xFA //Загружаем в регистр байт который нужно записать
rcall i2c_send //Записываем байт
rcall i2c_stop

Записывать данные в память можно не только побайтно но и постранично. Размер страницы — 16 байт. Постараничная запись подразумевает следующее: Отправляем адрес нулевого байта нужной страницы и после этого 16 раз отправляем нужные данные. Счётчик адреса будет увеличивать на единицу автоматически. Если отправить данные в 17-й раз, то будет перезаписан нулевой байт, если отправить байт 18-й раз, то он затрет байт номер 1 итд.

Пример : Требуется записать первую страницу блока 0.

rcall i2c_init //Инициализируем интерфейс i2c
rcall i2c_start // Отправляем стартовую посылку
ldi temp,0b 1010 000 0 //Адрес микросхемы где:
// 1010 - адрес микросхемы
// 000 - адрес блока памяти (нас интересует нулевой блок)
// 0 - бит чтения/записи. 0 - запись, 1 - чтение
rcall i2c_send
ldi temp,16 //Адрес первой страницы
rcall i2c_send
ldi temp,0x01 //Загружаем в регистр байт номер 0
rcall i2c_send //Записываем байт
ldi temp,0x02 //Загружаем в регистр байт номер 1
rcall i2c_send //Записываем байт
/// тут пишем остальные байты.....
ldi temp,0x0E //Загружаем в регистр байт номер 14
rcall i2c_send //Записываем байт
ldi temp,0x0F //Загружаем в регистр байт номер 15
rcall i2c_send //Записываем байт
rcall i2c_stop //Отправляем стоповую посылку

Чтение данных из микросхемы
С записью вроде разобрались, теперь приступим к чтению. Чтобы прочитать байт нужно сделать следующее:

1. Инициализировать интерфейс i2c (если он не инициализировался ранее)
2. Отправить стартовую посылку
3. Отправить адрес микросхемы и адрес блока памяти откуда будем читать
4. Отправить адрес ячейки памяти
5. Отправить стартовую посылку повторно
6. Отправить адрес микросхемы и адрес блока памяти с битом «чтение»
7. Получить байт
8. Отправить стоповую посылку

rcall i2c_init //Инициализируем интерфейс i2c
rcall i2c_start // Отправляем стартовую посылку
ldi temp,0b1010 011 0 //Адрес микросхемы + адрес 3-го блока памяти.
//Бит чтение/запись по прежнему 0 !
rcall i2c_send
ldi temp,0x41 //Адрес ячейки памяти
rcall i2c_send
rcall i2c_start //Повторная отправка стартовой посылки
ldi temp,0b1010 011 1 //Адрес микросхемы+адрес блока памяти+бит чтения/записи стал 1
rcall i2c_send //теперь можно читать данные
rcall i2c_recive_last //Читаем байт. Первый и последний.
rcall i2c_stop //Отправляем стоповую посылку

Чтение может производится последовательно байт за байтом, т.е. просто вызывать i2c_recive столько сколько нужно. Команду увеличения адреса на единицу посылать не нужно. Переключать адреса блоков при последовательном чтении так же не нужно. Т.е. можно взять и разом прочитать всю микросхему без всяких проблем.

Библиотека для работы с i2c разрабатывалась и была испытана на микроконтроллере Atmega32. Я думаю что она будет работать на многих других контроллерах без каких либо изменений. Естественно в контроллере должна быть аппаратная поддержка i2c или как его еще называют TWI. Конечно реализовать i2c можно и программно, но я не стал заморачиваться да и не было нужды. Демонстрационный пример представляет собой программу которая записывает по первым 16 адресам байты от 0 до 15, а после записи выводит их в порт A. Наблюдать как это работает можно не только в живую но и в Proteus’е.

Ну и напоследок прикладываю осциллограмму:

Вот так выглядит шина i2c глазами моего :-)
Все вопросы и предложения жду в комментариях.

В наши дни в цивилизованном мире вы с трудом найдёте человека, который никогда бы не пользовался компьютером и не имел представление о том, что это такое. Поэтому, вместо того чтобы в очередной раз рассказывать обо всем известных частях этой сложной системы, мы расскажем вам о чём-то, что вы ещё не знаете. Мы обсудим и дадим небольшую характеристику контроллерам памяти, без которых работа компьютера была бы невозможна. Если вы хотите вникнуть в систему работы вашего персонального компьютера или ноутбука, то вы обязательно должны знать это. И так, давайте обсудим сегодня, что же такое контроллеры памяти.

Задача, которая стоит перед контроллерами памяти компьютера является очень важной для работы компьютера. Контроллер памяти – это чип, который расположен на материнской плате или на центральном процессоре. Главной функцией, которую выполняет этот крохотный чип, является управление потоками данных, как входящих, так и исходящих. Второстепенной функцией контроллера памяти является увеличение потенциала и работоспособности системы, а так же равномерное и правильное размещение информации в памяти, которое доступно благодаря новым разработкам в области новых технологий.

Размещение контроллера памяти в компьютере зависит от определённых моделей материнских плат и центральных процессоров. В некоторых компьютерах дизайнеры поместили этот чип на северном параллельном присоединении материнской платы, в то время как в других компьютерах они размещены на центральном процессоре типа «die». Те системы, которые рассчитаны на установку контроллера в материнской плате, имеют большое количество новых различных физических гнёзд. Оперативная память, которая используется в компьютерах такого типа, так же имеют новый современный дизайн.

Главная цель использования контроллера памяти в компьютере заключается в том, чтобы система могла считывать и записывать изменения в оперативной памяти, а также обновлять её при каждой загрузке. Это происходит благодаря тому, что контроллер памяти посылает электрические заряды, которые в свою очередь, являются сигналами для выполнения тех или иных действий. Не углубляясь в техническую терминологию, мы можем утвердить тот факт, что контроллеры памяти являются одной из самых важных деталей в компьютере, позволяющих использовать оперативную память, и без которой его работа была бы невозможной.

Контроллеры памяти бывают разных типов. Они различаются на:
- контроллеры памяти с двойной скоростью передачи данных (DDR);
- полностью буферизованные контроллеры памяти (FB);
- двуканальные контроллеры (DC).

Функции, которые могут выполнять контроллеры памяти разных типов, отличаются друг от друга. Например, контроллеры памяти с двойной скоростью передачи данных используются, чтобы передавать данные, в зависимости от увеличения или уменьшения темпа часов памяти. В то время как в двуканальной памяти используется два контроллера памяти параллельно друг от друга. Это позволяет компьютеру увеличить быстродействие системы, создавая больше каналов, но, несмотря на трудности, которые возникают в результате использования кучи проводов, данная система работает довольно эффективно. Однако возникают трудности при создании новых каналов, поэтому данный вид контроллера памяти не безупречен.

Полностью буферизованные контроллеры памяти с другой стороны отличаются от остальных типов контроллеров памяти. В данной технологии используется серийные каналы передачи данных, которые нужны для связи с материнской платой и непохожие на остальные системы схемы оперативной памяти RAM. Преимущество данного типа контроллеров заключается в том, что полностью буферизованные контроллеры памяти уменьшают количество проводов, которые используются в материнской плате, и что позволяет уменьшить затраченное на выполнение задачи время.

Как вы уже убедились, контроллеры памяти очень нужны для стабильной работы компьютера, и разные типы используются для разных целей. Цены на линейки памяти варьируются от очень высоких до очень низких, что зависит от типа и функций, которые выполняет тот или иной контроллер памяти.

Функции контроллера динамической памяти:

Преобразование команд МП в последовательность специальных сигналов, обеспечивающих запись/чтение в модуль динамической памяти.

Обеспечение режима регенерации модуля динамической памяти.

Обеспечение расслоения обращений к динамической памяти.

Контроллер управляет четырьмя модулями DRAM. Уменьшается время цикла обращения к памяти. Общая емкость 4 модулей = 1 Мб * 32 разр.слов = 4 Мб. Используется 22 разряда адреса:

А0 А1 - используются для внутреннего пользования МП. Определяют используемый байт, во вне не выдаются.

BE3 . . . BE0 - byte enable

A3 A2 - обеспечивают расслоение

A21 A4 - на адресные входы модуля

Так как память строится на четырех модулях памяти, контроллер должен формировать четыре пары стробирующих сигналов.

M0 M1 ... M3

9 разрядов адреса должны формироваться контроллером и выдаваться частями

Должен быть сформирован сигнал записи WE - write enable

DEN - data enable

Модуль памяти подключается непосредственно к магистрали процессора.

Сигналы состояния МП:

- сигнал, активизирующий микросхему контроллера

CLK - по этому сигналу происходят все изменения в микросхеме

Рассмотрим взаимодействие МП, контролера и блока динамической памяти

1. Конроллер dram (кдп)

КЭШ-память

В настоящее время организуется двухуровневый КЭШ: внутренний (КЭШ1), внешний (КЭШ2). КЭШ построен на статической памяти - SRAM. Существует контроллер КЭШ памяти.

1. Характеристика внешней кэш – памяти

Емкость до 512 Кбайт

Большое быстродействие (обеспечивается использованием SRAM)

Информация хранится блоками. Блок - набор смежных байтов (4...64 байт). Длина блока обычно существенно превышает длину слова.

Разновидности КЭШ:

associative cache - ассоциативный КЭШ

direct mapped cache - КЭШ с прямым отображением

two way associative cache - двухканальный ассоциативный КЭШ

1. Функции контроллера кэш - памяти

Анализ физического адреса . Если фиксируется КЭШ - попадание по чтению , требуемая информация поступает в процессор из КЭШа. Если произошел КЭШ - промах по чтению , то информация извлекается из ОП. При КЭШ - попадании по записи , текущий результат заносится в КЭШ. При КЭШ - промахе по записи , реакция контроллера КЭШ может различаться в зависимости от типа используемого типа КЭШа:

сквозная запись - запись осуществляется в ОП.

обратная запись - запись осуществляется в КЭШ. Модифицированная информация попадает в ОП при выгрузке из КЭШ.

Snooping - «подслушивание» шины адреса. КЭШ отслеживает изменение содержимого памяти, инициируемое МП. Все обращения к ОП, при двухуровневой организации, идут через КЭШ. Первое обращение идет в КЭШ. Если изменение содержимого ОП инициируется другим задатчиком, КЭШ об этих изменениях не знает. Происходит рассогласование информации, хранимой в ОП и в КЭШ. Чтобы этого избежать используется «подслушивание» шины адреса. Если контроллер обнаружил, что идет обращение по адресу, копия содержимого которого хранится в КЭШ, соответствующую ячейку КЭШа объявляют недостоверной.

Поддержка каталога КЭШ . Поддержка реализации принципов отображения информации ОП в КЭШ.