EEPROM
Dispositivo elettronico appartenente alla classe dei multivibratori, circuiti caratterizzati dall'avere due elementi attivi (di solito transistor), accoppiati in modo che l'ingresso di uno sia collegato con l'uscita dell'altro, e due soli possibili stati di funzionamento. Il flip flop, detto anche multivibratore bistabile, ha entrambi gli stati di operazione stabili nel tempo: tipicamente, mentre uno dei transistor conduce, l'altro è interdetto. Per passare da uno stato all'altro (commutazione) è necessario applicare dall'esterno un impulso di tensione negativo alla base del transistor conduttore, o positivo alla base di quello interdetto. Ideato da W.H. Eccles e F.W. Jordan nel 1919, il multivibratore bistabile rimase per lungo tempo poco più di una curiosità, finché non si capì che grazie ai suoi due stati di equilibrio il flip flop si prestava molto bene alla memorizzazione di un'informazione di tipo binario, finendo così per diventare il mattone fondamentale dell'elettronica digitale. Generalmente provvisto di due diverse uscite con valori logici opposti (convenzionalmente 0 e 1), il flip flop commuta da uno stato all'altro per effetto di opportuni segnali di comando applicati in entrata, e in assenza di ulteriori comandi rimane nello stato finale indefinitamente, o almeno finché il circuito stesso è alimentato. Esistono vari tipi di flip flop, per impieghi specifici diversi, che si differenziano tra loro per il numero di ingressi e per l'azione che i segnali di entrata hanno sulla commutazione; oltre ai veri e propri ingressi di comando, infatti, vi sono in genere altri ingressi (detti di preparazione) che, pur non intervenendo direttamente nella commutazione, la predispongono o la inibiscono
che prevede due soli stati di funzionamento, ai quali vengono fatti corrispondere i due valori logici 0 e 1, rispettivamente. Le informazioni possono essere conservate solo se il circuito integrato viene alimentato.
Circuito integrato
Piccolo dispositivo elettronico in grado di svolgere funzioni di una certa complessità quali, ad esempio, l'amplificazione e il filtraggio, spesso collegato ad altri componenti in modo da formare sistemi più complessi. Un circuito integrato (Integrated Circuit, IC) non è costituito da elementi distinti connessi tra loro, ma è un dispositivo unico e indivisibile, nel quale i vari componenti (transistor, diodi, resistenze, capacità, etc.) sono realizzati in dimensioni microscopiche, impiantando atomi di sostanze opportune in una piccola lastrina tagliata da un monocristallo di silicio o di altro materiale semiconduttore (molto diffuso è anche l'arseniuro di gallio).
| Metodi costruttivi |
L'impianto di atomi avviene con procedimenti chimici e ottici. Su una lastrina circolare di silicio di pochi centimetri di diametro vengono realizzati contemporaneamente centinaia di integrati identici; la lastrina viene poi segata per separare i circuiti, detti 'chip'. In ciascuno di questi quadratini, il cui lato è una frazione di centimetro, può essere concentrato l'equivalente di alcune migliaia di componenti (grande scala di integrazione, Large Scale Integration, LSI); con processi di integrazione più sofisticati è possibile addirittura produrre chip contenenti l'equivalente di alcuni milioni di componenti (Very Large Scale Integration, VLSI). I collegamenti tra componenti sono realizzati in parte all'interno della piastrina di silicio, in parte stendendo sulla sua superficie sottilissimi strati di metallo o di semiconduttore, separati da strati isolanti altrettanto sottili. Per ottenere i corretti collegamenti, il percorso dell'isolante viene fissato con tecniche di fotoincisione. Ogni chip viene infine sigillato in un contenitore da cui sporgono i terminali per l'inserimento nei circuiti stampati.
| Applicazioni |
La capacità massima di memorizzazione di una singola RAM statica integrata non supera un quarto di quella possibile per una RAM dinamica di pari complessità; le memorie statiche, tuttavia, non richiedono operazioni di rinfresco (ricarica periodica degli elementi di memoria) (REFRESH) e sono generalmente più veloci. Oggi si tende a restringere l'uso delle RAM statiche alle memorie cache.
Le RAM dinamiche (DRAM) sono circuiti integrati che immagazzinano le informazioni caricando o scaricando le capacità parassite di particolari transistor. Poiché queste tendono a scaricarsi col tempo (in pochi millisecondi), le schede con RAM dinamiche devono comprendere circuiti logici per la ricarica periodica di tutti gli elementi di memoria (rinfresco o refresh). Durante questa operazione, la memoria non può essere letta dal processore e, se questo avvia un'operazione di lettura, è costretto all'attesa. Per la semplicità dei circuiti interni che le caratterizza, le RAM dinamiche sono più usate delle statiche, soprattutto per sistemi di memoria di grande capacità, ma hanno lo svantaggio di essere notevolmente più lente.
I circuiti di memoria si presentano generalmente sotto forma di schede SIMM (Single In-line Memory Module) o DIMM (Dual In-line Memory Module), che vengono inserite negli appositi connettori presenti sulla scheda madre del computer. Tali schede occupano meno spazio e permettono un'installazione più semplice di quanto fosse il montaggio diretto dei moduli di memoria, utilizzato nei primi personal computer.
| La conduzione: elettroni e lacune |
Tra i semiconduttori comuni si trovano alcuni elementi puri, quali il silicio, il germanio e il selenio, e alcuni composti, quali l’arseniuro di gallio, il seleniuro di zinco e il tellururo di piombo. Le loro proprietà si devono alla particolare configurazione elettronica che li caratterizza: se sottoposti a specifici trattamenti, il numero di portatori di carica a loro disposizione aumenta sensibilmente, e in proporzione la loro conducibilità.
I trattamenti in questione possono essere l’incremento della temperatura, l’irraggiamento o l’aggiunta di impurità. In un semiconduttore puro, o intrinseco, come un cristallo di silicio, gli elettroni di valenza (gli elettroni che occupano le orbite più esterne di un atomo) sono condivisi a due a due con altri atomi adiacenti, per formare i legami covalenti che uniscono gli atomi dando consistenza al cristallo.
In condizioni ordinarie, gli elettroni di valenza sono vincolati ai nuclei degli atomi e occupano posizioni fisse all’interno del solido; tuttavia, l’energia termica e la luce possono rompere i legami chimici, liberando elettroni di conduzione. Nella posizione lasciata libera (lacuna) da uno di questi elettroni, rimane un eccesso di carica positiva, che viene subito compensato dallo spostamento di uno degli elettroni di valenza degli atomi adiacenti. L’eccesso di carica positiva si trasferisce così a un atomo vicino; l’effetto equivale allo spostamento della lacuna, cioè di una carica positiva. In sostanza, la rottura di un legame covalente genera due portatori di carica liberi: un elettrone e una lacuna. Ciò giustifica l’aumento di conducibilità del materiale per irraggiamento o per riscaldamento. L’energia necessaria per liberare un elettrone da un legame covalente è detta gap di energia.
ROM o Read-Only Memory
memoria a semiconduttore che contiene istruzioni o dati che possono essere letti ma non modificati. Il progettista di una ROM integrata fornisce le istruzioni o i dati da memorizzare a un produttore di circuiti a semiconduttore; questi realizza uno o più integrati contenenti tali informazioni. La realizzazione di una ROM con un dato contenuto richiede un particolare processo produttivo, economicamente praticabile solo per produzioni su larga scala; di conseguenza per progetti sperimentali o piccole serie sono più indicate PROM EPROM e Flash-EPROM. Nell'uso comune, il termine ROM indica spesso qualsiasi memoria a sola lettura, comprese PROM ed EPROM. La tendenza attuale di rendere i dispositivi elettronici sempre più flessibili, programmabili e aggiornabili ha portato a un forte incremento di memorie programmabili a scapito delle memorie ROM.
PROM o Programmable Read-Only Memory
un tipo di memoria a sola lettura che permette di inserire i dati nell'integrato già realizzato (e non in fase di produzione come per le ROM strettamente intese) con un apparecchio apposito detto programmatore di PROM. Una volta programmata, una PROM ha un contenuto di dati fisso e non più modificabile. Poiché le ROM sono economicamente vantaggiose solo per grandi volumi di produzione, le PROM vengono usate per piccole produzioni o nelle fasi di messa a punto di un prodotto. In questo caso, possono essere programmate nuove PROM via via che si perfeziona il progetto. Vedi anche EPROM.
EPROM o Erasable Programmable Read-Only Memory
Un tipo di memoria a sola lettura riprogrammabile. Le EPROM vengono programmate dall'utente dopo la produzione. A differenza delle PROM (ROM programmabili una sola volta), possono essere cancellate e riscritte parecchie volte; per questo rappresentano una buona soluzione per i produttori di hardware, poiché permettono l'inserimento di variabili o codici soggetti a cambiamenti in sistemi per i quali sarebbe onerosa la sostituzione delle PROM a ogni modifica.
La cancellazione delle EPROM si ottiene esponendo il chip semiconduttore a una radiazione ultravioletta attraverso una finestra trasparente presente sul contenitore. L’operazione richiede attrezzature apposite e produce la cancellazione totale, perciò il contenuto deve essere completamente riscritto, anche in caso di modifiche modeste. Per questi motivi sono nate le EPROM o EAROM, per le quali la cancellazione, ottenuta mediante impulsi elettrici, può essere selettiva (rivolta solo alle locazioni da modificare). L’ultima evoluzione, che si sta diffondendo in modo rapidissimo, è costituita dalle Flash-EPROM, memorie EPROM cancellabili elettricamente come le EPROM e EAROM, ma molto meno costose e con tempi di lettura e scrittura notevolmente ridotti. Vedi anche ROM.
La EEPROM
Acronimo di: Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory, è una memoria ROM programmabile da parte dell'utente. Le operazioni di scrittura, cancellazione e riscrittura hanno luogo elettricamente.
Ciascuna cella di memoria capace di memorizzare un singolo bit è costituita da due transistori MOS, uno "di memoria" e uno "di accesso".
Nascita della tecnologia
La tecnologia EEPROM è stata sviluppata sulla base della preesistente tecnologia EPROM al fine di ovviare al problema della cancellazione dei dati.
In ambito EPROM, infatti, mentre la scrittura può avere luogo per via elettrica, la cancellazione viene effettuata attraverso l'esposizione a radiazione UV, con conseguenti inconvenienti di natura logistica (rimozione del chip dalla scheda su cui è assemblato, perdita di tempo).
EPROM ST M27C512
Il transistor di memoria
Il transistor di memoria ha due gate.
Il primo è un gate tradizionale, collegato elettricamente con il resto del gruppo. Il secondo è un gate sepolto e isolato elettricamente. Esso è separato dal primo gate, così come dal canale del transistor, per mezzo di un sottilissimo strato di materiale isolante. Per questo motivo è detto "floating gate". In gergo, lo si definisce flottante.
A differenza delle EPROM, nelle EEPROM vi è una regione, in prossimità del drain, in cui lo spessore dello strato di ossido che separa il floating gate dal canale è ridotto al punto tale da permettere il passaggio di elettroni, dal gate sepolto al canale, o viceversa, per effetto tunnel (Fowler-Nordheim).
Il transistor di memoria viene programmato attraverso il pilotaggio in tensione del gate "esterno". La variazione del potenziale a cui questo si trova esposto determina, nella zona in cui il ridotto spessore dell'ossido isolante lo rende possibile, il manifestarsi dell'effetto tunnel e la conseguente attrazione di elettroni dal drain al gate sepolto.
Il transistor di accesso
Come nel caso delle memorie EPROM, anche le EEPROM presentano una criticità legata alla fase di cancellazione. Il processo di scarica del floating gate può infatti determinare, come effetto indesiderato, l'accumulo di una carica positiva con conseguente variazione della tensione di soglia del dispositivo. Il problema è stato risolto mediante l'introduzione dei transistori di accesso, che sono parte integrante della cella.
La presenza di questi ultimi determina tuttavia, un maggiore impiego di area rispetto alle EPROM. Per ovviare a questo problema sono nate le memorie flash.
La memoria flash, anche chiamata flash memory, è una tipologia di EEPROM, quindi di memoria non volatile, che per le sue prestazioni può anche essere usata come memoria a lettura-scrittura. Quando viene utilizzata come ROM viene anche chiamata flash ROM.
La memoria flash, trattandosi di memoria a stato solido, non presenta alcuna parte mobile quindi è piuttosto resistente alle sollecitazioni e agli urti, inoltre è estremamente leggera e di dimensioni ridotte.
La memoria flash è particolarmente indicata per la trasportabilità proprio in virtù del fatto che non richiede alimentazione elettrica per mantenere i dati e che occupa poco spazio. È infatti molto usata nelle fotocamere digitali, nei lettori di musica portatili, nei cellulari, nei pendrive, nei palmari, nei moderni computer portatili e in molti altri dispositivi che richiedono un'elevata portabilità e una buona capacità di memoria per il salvataggio dei dati.
Teoria fisica
Le informazioni vengono registrate in un array di transistor chiamati "celle", ognuna delle quali conserva il valore di un bit. Le nuove flash utilizzano delle celle multilivello che permettono di registrare il valore di più bit attraverso un solo transistor.
Se consideriamo le memorie NOR, le prime ad essere state prodotte, ogni cella è simile ad un MOSFET ma con due gate anziché uno soltanto. Uno è il solito CG (Control Gate) mentre l'altro viene chiamato Floating Gate (FG), che risulta essere completamente isolato da uno strato di ossido. Il floating gate si trova tra il CG e il substrato. Siccome il FG è isolato, ogni elettrone che gli passa sopra viene intrappolato permettendo così di conservare il bit di informazione. Quando gli elettroni si attestano sul FG, essi modificano il campo elettrico proveniente dal CG e ciò influenza la tensione di soglia (Vt) della cella. Durante un'operazione di lettura, applicando una tensione sul CG, la corrente fluisce o meno a seconda della Vt della cella che è controllata dal numero di elettroni presenti sul FG. Questa presenza o assenza di corrente viene tradotta in 0 o 1, riproducendo il valore del bit memorizzato.
L'inserimento e l'estrazione degli elettroni sfruttano l'effetto tunnel, le memorie flash sono a tutti gli effetti i dispositivi quantistici più diffusi in assoluto. Le memorie flash secondo i postulati della fisica classica non dovrebbero funzionare dato che il Floating Gate non è collegato fisicamente a nessuna linea e quindi gli elettroni non dovrebbero scorrere. Grazie all'effetto tunnel invece applicando un'adeguata differenza di potenziale alcuni elettroni saltano raggiungendo il Floating Gate e rimanendovi bloccati.
Per espandere la capacità delle memorie sono state sviluppate le celle a multilivello, dove non si controlla soltanto l'assenza o presenza di corrente ma si precisa anche il suo valore che dipende naturalmente dal numero di elettroni intrappolati dal FG: in questo modo si possono memorizzare più bit. Per programmare il valore di una cella si avvia un flusso di elettroni dal source al drain, poi una tensione molto elevata viene imposta sul CG che genera un campo elettrico sufficientemente elevato affinché gli elettroni vengano intrappolati nel FG. Questo processo viene chiamato "hot-electron injection". È da qui che prende origine la denominazione di flash, perché il CG non fa nient'altro che "flashare" il FG attraverso una tensione molto elevata.
Per la cancellazione viene applicata una differenza di tensione tra CG e source per far sì che gli elettroni vengano estratti dal FG attraverso un processo chiamato Fowler-Nordheim. Le memorie NOR moderne raggruppano le celle in segmenti chiamati blocchi o settori in maniera che le operazioni di cancellazione avvengano contemporaneamente su tutte le celle appartenenti allo stesso segmento.
Le memorie NOR minimizzano il tempo di accesso per letture random e vengono utilizzate nel caso in cui si debba eseguire del codice direttamente dalla memoria. Sono nate per sostituire le EEPROM e vengono impiegate ad esempio per contenere il firmware di un microcontrollore che viene eseguito direttamente e non viene aggiornato frequentemente. Sono state usate nelle prime Compact Flash soprattutto per conservare il firmware delle fotocamere digitali e dei PDA.
Nel corso degli anni è stata introdotta una nuova tipologia chiamata NAND. È stata concepita per la memorizzazione di grandi quantità di dati in maniera sequenziale, a piccoli blocchi e con un costo contenuto. Il progetto nasce nel 1989 da una collaborazione tra Samsung e Toshiba. Questo tipo di memoria si è diffuso velocemente tant'è che buona parte degli attuali dispositivi flash SM-SmartMedia, SD-Secure Digital, MS-MemoryStick, si basano su di esso.
Le memorie NAND sono ottimizzate per l'aggiornamento rapido dei dati. Si consideri che il settore di cancellazione per le NAND è di 8 Kb contro i 64 Kb delle NOR. Questo significa che in una memoria NOR, anche se dobbiamo aggiornare un solo byte, siamo costretti a cancellare un intero blocco di 64 Kb e riscriverlo per intero con evidenti problemi di prestazioni. Inoltre a parità di capacità risulta meno costoso produrre una NAND rispetto alla NOR.
Le memorie NOR hanno subito un'evoluzione con l'introduzione delle DINOR (Divided Bit-Line NOR) che permettono la cancellazione di più settori contemporaneamente, migliori prestazioni e consumo energetico attraverso dei meccanismi di tunnel injection e tunnel release per le operazioni di lettura e scrittura.
Infine, Hitachi ha introdotto una quarta tipologia di memoria chiamata AND che sembra sintetizzare i migliori aspetti delle NAND e delle NOR con alte velocità di cancellazione, basso consumo, blocchi di lettura e scrittura ridotti.
È importante sottolineare una limitazione delle memorie flash secondo cui la cancellazione dei dati avviene per blocchi completi e non per singolo byte. Nel momento in cui un byte viene programmato non può essere cancellato se non dopo la cancellazione dell'intero blocco.
In pratica le flash offrono un accesso random in lettura e scrittura ma non nelle operazioni di modifica e cancellazione. È questa una delle ragioni per la quale, al momento, non è possibile sostituire le RAM dei PC con queste tipologie che permetterebbero di non perdere le informazioni nel caso in cui ci sia un'interruzione improvvisa dell'alimentazione (blackout).
Altre due ragioni sono che l'accesso sia in lettura che in scrittura alle memorie FLASH richiede molto più tempo rispetto ad una RAM attuale, e che comunque il numero di scritture che una memoria FLASH può supportare non è illimitato seppur molto alto (oltre 10^5 cicli di scrittura).
È bene ricordare che le memorie flash differiscono dalle EEPROM per il fatto che la programmazione si basa, in quest'ultimo caso, sul fenomeno fisico della iniezione a valanga, e non su quello dell'effetto tunnel.
Il transistor di accesso, pilotato dalla word line, svolge inoltre la funzione di mettere in comunicazione il transistor di memoria con la bit line quando è necessario leggere il dato binario immagazzinato sotto forma di carica elettrica all'interno del canale del transistor.
BIOS o Basic Input-Output System
insieme di routine che opera da interfaccia fra l'hardware e il sistema operativo di un computer, per permettere il trasferimento di informazioni tra i diversi elementi del sistema, quali la memoria, i dischi e il monitor. Sui primi computer IBM e compatibili, il BIOS, o ROM BIOS, era registrato nella memoria a sola lettura (ROM) della macchina e non era modificabile; nei computer più recenti esso è registrato in una memoria ad accesso casuale dedicata, capace di mantenere le informazioni anche in assenza di alimentazione, in modo da rendere possibile l'aggiornamento. Malgrado la sua forte influenza sulle prestazioni, il BIOS è invisibile per gli utenti di computer; esso è accessibile, invece, ai programmatori.
In ambito informatico con power-on self-test (ovvero POST, acronimo usato di frequente) si indica la fase di "auto diagnosi" di personal computer (come anche di altri dispositivi, ad esempio router e stampanti) avviata automaticamente dal BIOS all'accensione per testare il corretto funzionamento dell'hardware prima dell'avvio delle successive fasi del processo di bootstrap.
Oltre al funzionamento della scheda madre il POST può verificare anche il funzionamento delle periferiche più comuni, come ad esempio mouse, tastiera e scheda video.
Oltre che con specifici messaggi, o codici, visualizzati sul video, l'esito del test viene manifestato con una sequenza di segnali acustici ("beep") emessi dall'altoparlante del sistema che indicano la periferica guasta e il tipo di problema riscontrato, anche in assenza di display. La sequenza dei "beep" varia in relazione al costruttore del BIOS.
All'accensione del sistema i compiti del processo di POST sono gestiti dal BIOS che può delegare alcuni task a specifici programmi atti ad inizializzare specifiche periferiche, in particolar modo schede video e dispositivi SCSI. Nel corso del processo di POST i passi che vengono generalmente eseguiti sono i seguenti:
· determinazione della causa che ha innescato il processo di POST
· (se necessario) rilascio del controllo del processo a BIOS specializzati (ad esempio BIOS video)
· identificare, organizzare e selezionare i device pronti per la continuazione della fase di bootstrap
Capacità informatica
In relazione ai computer, la quantità di informazioni che un computer o un dispositivo connesso può elaborare o memorizzare. A seconda della parte specifica del sistema computerizzato, si distinguono capacità di disco, di canale, di memoria, di elaborazione e di registro.
La capacità di un disco è il numero totale di byte (caratteri) che esso può contenere. Poiché il sistema operativo di un computer richiede un certo spazio sul disco per il proprio uso, e poiché i file sono archiviati in blocchi e non byte per byte, la capacità di un disco è maggiore (seppure non di molto) dello spazio disponibile per i dati.
La capacità di canale è la massima velocità a cui un canale di comunicazione può trasferire dati in un computer o tra computer.
La capacità di memoria, nell'ambito dei microcomputer, indica di solito l'estensione della memoria ad accesso casuale (RAM) o memoria di lavoro. Spesso, però, questo termine è usato per riferire l'estensione complessiva delle memorie RAM e ROM (memoria a sola lettura).
La capacità di elaborazione è il numero di operazioni che un processore può svolgere nell'unità di tempo; viene sovente espressa in MIPS (milioni di operazioni al secondo) o in FLOPS (Floating-point Operations Per Second).
