Накопители на оптических дисках. Флеш-память, регистровая кэш-память

Накопители на дисках - это устройства для чтения и записи с магнитных или оптических носителей. Назначение этих накопителей - хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее устройство.

Типы оптических дисков:

1. CD ( Compact Disc)

Физические характеристики компакт-диска

Геометрические размеры: все члены семейства CD представляют собой диск диаметром 120 мм, имеющий в центре отверстие диаметром 15 мм. Толщина диска – 1,2 мм.

Конструкция компакт-диска

Конструктивно диск представляет собой трехслойный «пирог» (Рис. 1). Подложка из оптически прозрачного материала (поликарбонат), которая изготавливается методом литья под давлением. При изготовлении подложки на одной из ее поверхностей формируется информационный рисунок, состоящий из ямок (питов) и промежутков между ямками (лэндов). На информационный рисунок напыляется тонкий отражающий слой. Поверх отражающего слоя наносится слой лака, защищающий диск от повреждений. Как правило, на защитный лак наносится лейбл.

Для чтения информации с CD используется луч лазера инфракрасного диапазона (ИК). Луч подается на вращающийся диск со стороны подложки, отражается от отражающего слоя и возвращается на специальный фотодетектор. При попадании луча на питы и лэнды интенсивность отраженного луча меняется. В итоге, на выходе фотодетектора формируется электрический сигнал, повторяющий по форме информационный рисунок на поверхности компакт-диска. Объем CD достигает до 700 Мб информации. Существует несколько видов (MiniCD, CD-R, CD-RW и др.) и форматов (DIVX, VideoCD, PhotoCD, AudioCD) компакт-дисков.

2. DVD (Digital Versatile Disc/ Digital Video Disc) - носитель информации, выполненный в виде диска, внешне схожий с компакт-диском, однако имеющий возможность хранить больший объём информации за счёт использования лазера с меньшей длиной волны, чем для обычных компакт-дисков. Скорость чтения/записи ≈ 21 Мб/с. Объем хранимой информации у одностороннего DVD до 4,7 Гб.

3. Blu-ray и HDDVD. Blu-Ray BD - формат оптического носителя, который используется для записи и хранения цифровых данных, таких как видео высокой чёткости с повышенной плотностью.

Однослойный диск Blu-ray (BD) может хранить 23,3/25/27 или 33 Гб, двухслойный диск может вместить 46,6/50/54 или 66 Гб. Также в стадии разработки находятся диски емкостью 100 Гб и 200 Гб с использованием соответственно четырёх и восьми слоёв.

4. HVD (Holographic Versatile Disc) - голографический многоцелевой диск - довольно перспективная технология производства оптических дисков, разрабатываемая с недавнего времени. Она позволяет значительно увеличить емкость диска по сравнению с Blu-Ray и HD DVD путем использования метода голографии.

Флеш-память (англ. flashmemory) — разновидность полупроводниковой технологии электрически перепрограммируемой памяти (EEPROM).

Предшественниками технологии флеш-памяти можно считать ультрафиолетово стираемые постоянные запоминающие устройства (EPROM) и электрически стираемые ПЗУ (EEPROM).

Название «флеш» было придумано в Toshiba коллегой Фудзио, Сёдзи Ариидзуми, потому что процесс стирания содержимого памяти ему напомнил фотовспышку (англ. flash).

Принцип действия

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

Изменение заряда («запись» и «стирание») производится 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 туннелирования электронов в карман при записи применяется небольшое ускорение электронов путём пропускания тока через канал полевого транзистора (явление инжекции горячих носителей).

Чтение выполняется полевым транзистором, для которого карман выполняет функцию 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.

Рисунок 7 Разрез транзистора с плавающим затвором

Различаются методом соединения ячеек в массив и алгоритмами чтения-записи.

Конструкция NOR использует классическую двумернуюматрицу проводников, в которой на пересечении строк и столбцов установлено по одной ячейке. При этом проводник строк подключался к стоку транзистора, а столбцов — ко второму затвору. Исток подключался к общей для всех подложке. В такой конструкции было легко считать состояние конкретного транзистора, подав положительное напряжение на один столбец и одну строку.

Конструкция NAND — трёхмерный массив. В основе та же самая матрица, что и в NOR, но вместо одного транзистора в каждом пересечении устанавливается столбец из последовательно включенных ячеек. В такой конструкции получается много затворных цепей в одном пересечении.

Регистровая КЭШ-память - высокоскоростная память большой емкости, являющаяся буфером между ОП и МП и позволяющая увеличить скорость выполнения операций.

Регистры КЭШ-памяти недоступны для пользователя, отсюда и название КЭШ (Cache), в переводе с английского означает "тайник".

В КЭШ-памяти хранятся данные, которые МП получил и будет использовать в ближайшие такты своей работы. Быстрый доступ к этим данным и позволяет сократить время выполнения очередных команд программы. При выполнении программы данные, считанные из ОП с небольшим опережением, записываются в КЭШ-память.

По принципу записи результатов различают два типа КЭШ-памяти:

КЭШ-память "с обратной записью" - результаты операций прежде, чем их записать в ОП, фиксируются в КЭШ-памяти, а затем контроллер КЭШ-памяти самостоятельно перезаписывает эти данные в ОП;

КЭШ-память "со сквозной записью" - результаты операций одновременно, параллельно записываются и в КЭШ-память, и в ОП.

Микропроцессоры начиная от МП 80486 имеют свою встроенную КЭШ-память (или КЭШ-память 1-го уровня), чем, в частности, и обусловливается их высокая производительность. Микропроцессоры Pentium и Pentium Pro имеют КЭШ-память отдельно для данных и отдельно для команд, причем если у Pentium емкость этой памяти небольшая - по 8 Кбайт, то у Pentium Pro она достигает 256 - 512 Кбайт.