Постоянное запоминающее устройство¶
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) — класс запоминающих устройств, содержимое которых сохраняется при отключении питания и, как правило, не изменяется в ходе обычной работы вычислительной системы. В отличие от оперативной памяти, ПЗУ обеспечивает энергонезависимое хранение данных и используется для размещения программ начальной загрузки, встроенного программного обеспечения и постоянных таблиц.
¶Общая характеристика
Основное свойство ПЗУ — энергонезависимость: записанная информация сохраняется после выключения электропитания. Второе свойство — преимущественно считываемый характер доступа: в классических ПЗУ данные записывались однократно при изготовлении, тогда как современные разновидности допускают многократную перезапись, но с ограничениями по числу циклов и скорости.
ПЗУ занимает нижний уровень иерархии памяти вычислительной системы. Оно уступает оперативной памяти по быстродействию и объёму, но превосходит её по надёжности хранения и стоимости хранения единицы данных в пересчёте на длительный срок.
¶История
До появления полупроводниковых ПЗУ функцию постоянного хранения выполняли перфокарты, перфоленты и диодные матрицы. В 1956 году американский инженер Вэнь Цин Чоу предложил использовать для хранения данных матрицу, программируемую пережиганием перемычек, — так появились программируемые ПЗУ (PROM).
В 1971 году компания Intel выпустила первый стираемый программируемый элемент EPROM, содержимое которого удалялось ультрафиолетовым облучением через прозрачное окно корпуса. В конце 1970-х годов появились электрически стираемые ПЗУ (EEPROM), а в 1984 году — флеш-память, ставшая основой современных накопителей.
В СССР и России ПЗУ разрабатывались на предприятиях микроэлектронной отрасли — в Зеленограде, Минске, Воронеже. Микросхемы серий К155, К556, К573 применялись в вычислительной технике, бытовой электронике и системах управления.
¶Классификация
По способу записи и стирания выделяют несколько типов.
| Тип | Запись | Стирание | Применение |
|---|---|---|---|
| ROM (масочное ПЗУ) | при изготовлении | невозможно | серийные устройства |
| PROM | однократно пользователем | невозможно | мелкосерийное производство |
| EPROM | многократно | ультрафиолетом | отладка, разработка |
| EEPROM | многократно | электрическим сигналом | конфигурационные данные |
| Флеш-память | многократно | электрическим сигналом | накопители, прошивки |
По архитектуре различают ПЗУ с последовательным и параллельным доступом, а также с адресным и безадресным (ассоциативным) поиском.
¶Устройство и принцип работы
Элементарная ячейка полупроводникового ПЗУ строится на транзисторе с плавающим затвором либо на пережигаемой перемычке. Наличие или отсутствие заряда на плавающем затворе кодирует логическую единицу или ноль. Считывание выполняется подачей напряжения на затвор и измерением тока стока.
В масочных ПЗУ информация закладывается на этапе фотолитографии: рисунок проводников определяет содержимое матрицы. Такие микросхемы дешевы в массовом производстве, но непригодны для изменения данных.
Флеш-память использует блочную организацию: стирание происходит целыми блоками, а запись — постранично. Это накладывает ограничения на число циклов перезаписи, которое для современных микросхем составляет от 10 тысяч до 100 тысяч циклов.
¶Применение
ПЗУ применяется в следующих областях:
- BIOS и UEFI персональных компьютеров — хранение микрокода начальной загрузки;
- микроконтроллеры — встроенная память программ;
- бытовая техника — стиральные машины, телевизоры, микроволновые печи;
- автомобильная электроника — блоки управления двигателем;
- промышленная автоматизация — контроллеры и датчики;
- карты памяти и USB-накопители — флеш-память;
- твердотельные накопители (SSD) — хранение пользовательских данных.
В России флеш-память и микросхемы ПЗУ выпускаются предприятиями «Микрон», «Ангстрем», «Интеграл». Разрабатываются решения для систем специального назначения с повышенными требованиями к стойкости к радиации и температурным режимам.
¶Характеристики
Ключевые параметры ПЗУ:
- информационная ёмкость — от нескольких байт до терабайт;
- время доступа — от наносекунд (масочные ПЗУ) до десятков микросекунд (флеш);
- число циклов перезаписи — от одного до сотен тысяч;
- энергопотребление — зависит от типа и режима работы;
- температурный диапазон — промышленные образцы работают от −60 до +125 °C.
¶Роль в вычислительной технике
ПЗУ обеспечивает начальную загрузку компьютера: после включения питания процессор считывает из ПЗУ код, который инициализирует оборудование и передаёт управление операционной системе. Без ПЗУ работа современной вычислительной системы невозможна.
Встраиваемые системы, построенные на микроконтроллерах, хранят всю программу в ПЗУ, что снижает стоимость и повышает надёжность устройства. В системах, критичных к безопасности, применяются ПЗУ с защитой от несанкционированного считывания.
¶Тенденции развития
Развитие ПЗУ идёт по пути увеличения плотности записи, снижения энергопотребления и повышения числа циклов перезаписи. Перспективные направления — магнитные ПЗУ (MRAM), сегнетоэлектрические (FRAM) и фазовые (PRAM) устройства, сочетающие энергонезависимость с быстродействием, близким к оперативной памяти. В России ведутся работы по созданию энергонезависимой памяти на новых физических принципах для применения в космической и оборонной технике.
Источники: технические справочники по микроэлектронике, документация производителей микросхем памяти, учебные пособия по архитектуре ЭВМ, материалы отраслевых изданий.