Что такое NVRAM и почему она не всегда энергонезависима

Добрый день, друзья!

А вы видели таинственную аббревиатуру «NVRAM», которая мелькает на мониторе при включении компьютера? NVRAM – это одна из необходимых компьютеру «железок», и мы сейчас разберемся — что это за зверь такой и зачем он нужен.

Мы увидим также, как эта штука развивалась и «умнела», а вместе с ней «умнел» и весь компьютер. Для начала рассмотрим

Что такое энергонезависимая память?

NVRAM (Non Volatile Random Access Memory) – общее название энергонезависимой памяти. Энергонезависимая память – это такая, данные в которой не стираются при выключении питания. В противоположность ей есть энергозависимая память, данные в которой исчезают при отключении питания. Т.е. когда питание на микросхему (или модуль) памяти подается, она «помнит» данные, когда перестает подаваться – она их «забывает».

Под понятие «энергонезависимая» подпадает несколько видов памяти. Кстати сказать, память (и энергозависимая, и энергонезависимая) имеется не только в компьютере, но и во всех околокомпьютерных и периферийных устройствах:

• в принтерах — лазерных, струйных и матричных ,
• в мониторах,
• в модемах,
• графических картах и т.д.

Даже в компьютерных клавиатурах имеются оба вида памяти.

Оба они упакованы в бескорпусную микросхему («капельку»), покрытую компаундом.

Такая конструкция — все «в одном флаконе» — именуется контроллером (от английского «control» — управление) и очень широко применяется в электронике.

Виды энергонезависимой памяти

Один из видов энергонезависимой памяти именуется ROM (Read Only Memory, память только для чтения). В русскоязычной литературе такая память называется ПЗУ (постоянное запоминающее устройство). Данные в микросхему, которая именуется еще англоязычным термином «chip» (чип, кристалл), записываются при изготовлении. Изменить их потом нельзя.

Еще одна разновидность энергонезависимой памяти – PROM (Programmable ROM). Эквивалентный русскоязычный термин – ППЗУ (Программируемое ПЗУ). В такой микросхеме в исходном состоянии во всех ячейках памяти записана одинаковая информация (нули или единицы). С помощью специальной процедуры программирования в ячейки записывается нужная информация.

Происходило это путем пережигания плавких перемычек.

После записи изменить данные в ячейках было нельзя.

Возможность программирования предоставляет гибкость в производстве и использовании. Чтобы записать модифицированную информацию в микросхему, не надо перестраивать технологический процесс производства. Пользователь (точнее, производитель электронной техники) сам записывает нужную ему информацию.

Но однократно программируемая память тоже не всегда хороша. Модифицировать «прошитую» в микросхему информацию нельзя, нужно менять микросхему. Это не всегда удобно и возможно. Поэтому появились многократно программируемые микросхемы. В первых изделиях информация стиралась ультрафиолетовым излучением, для чего использовалась специальная лампа.

В таких микросхемах имелось окошечко, закрытое кварцевым стеклом, которое пропускало УФ излучение. Но все равно это было неудобно, и после научились стирать, и записывать информацию электрическим сигналом. Такую память стали называть EEPROM (Electric Erasable PROM, ЭСППЗУ, электрически стираемое программируемое ПЗУ).

Затем появилась ее разновидность — Flash (флеш) память, которая получила в последние годы очень широкое распространение.

Это и микросхема BIOS в компьютере.

Это и всем известные ныне «флэшки» (портативные накопители данных), твердотельные накопители SSD (Solid State Drive), альтернатива электромеханическим винчестерам, карты памяти, применяемые в фотоаппаратах и т.п.

Отметим, что перезаписать информацию в таких накопителях можно ограниченное (хотя и большое) количество раз.

Проблема времени в компьютере

В первых компьютерах не было микросхемы RTS (Real Time Clock, часы реального времени).

Это было неудобно, и потом ее начали устанавливать.

Проблема, которая возникла с RTC в самом начале, заключалась в том, что компьютер работает не 24 часа в сутки. Он включается пользователем в начале рабочего дня и выключается в его конце. Пока компьютер был включен, он «помнил» время, как только его выключали, он время «забывал».

Каждый раз устанавливать время заново было бы очень неудобно. Неудобно было бы и каждый раз возобновлять и другие системные настройки (тип винчестера, источник загрузки и другие). Поэтому придумали встроить в общий корпус микросхему RTC, которая помнила не только время, но и все настройки BIOS Setup, и источник питания – батарею гальванических элементов.

Ячейки памяти RTC представляли собой, по сути, оперативную память (RAM). Такую память также отнесли к энергонезависимой, так как она не зависела от источника внешнего напряжения. Она была энергонезависимой до тех пор, пока встроенная батарея не «садилась». Такая память была сделана на основе КМОП структур, поэтому потребляла в статическом режиме (режиме хранения) очень небольшой ток, порядка единиц микроампер.

Поэтому встроенной батареи хватало на несколько лет. После чего весь модуль подлежал замене. Существовали конструкции материнских плат с разъемом под такой модуль. И можно было легко выполнить его замену. Но затем технический прогресс продолжил свой неумолимый бег. Число микросхем на материнской плате уменьшалось, а степень их интеграции увеличивалась.

В конце концов пришли к чипсету (набору микросхем), состоящему из 1-2 корпусов, который включал в себя почти все подсистемы материнской платы.

Встраивать в тот же корпус (куда напихано уже много всего) еще и источник напряжения посчитали нецелесообразным.

Такой корпус имеет много выводов. Установка его в разъем усложнила бы конструкцию, увеличила бы ее стоимость и снизила бы надежность.

Поэтому источник питания (3 V литиевый элемент) стали устанавливать отдельно. Это упростило и удешевило плату, так как теперь надо менять только элемент, а не все сразу. Следует отметить, что вначале в качестве источника резервного питания использовались никель-кадмиевые аккумуляторы.

После длительной эксплуатации они могли потечь. И вытекший электролит мог повредить проводники материнской платы. Современные литиевые элементы не текут даже при очень глубоком разряде.

Технология изменилась, но название структуры, хранящей настройки BIOS Setup, осталось прежним – NVRAM. Но теперь, в строгом смысле, она не является энергонезависимой. Ведь ее «энергонезависимость» обеспечивается внешним источником напряжения.

Напомним, что первым признаком того, что элемент 2032 исчерпал свой ресурс, является сброс времени и даты при включении компьютера. Напряжение свежего элемента составляет величину около 3,3 В. По мере истощения его ЭДС падает. И, как только оно снизится (ориентировочно) менее 2,8 В, структура, хранящая настройки, «забудет» их. Заряду литиевые элементы не подлежат.

Что обозначают цифры в маркировке литиевого элемента?

В заключение отметим, что первые две цифры маркировки элемента (20) определяют его диаметр в миллиметрах.

Вторые две – его емкость (способность отдать определенное количество энергии).

Чем больше цифра, тем больше емкость и тем толще элемент. Типовое значение емкости элемента 2032 – 225 мА/ч (миллиампер-часов), элемента 2025 – 160 мА/ч.

Следует отметить, что это максимальные значения. Реальные цифры зависят от сопротивления нагрузки и окружающей температуры. Чем больше сопротивление нагрузки и выше температура (разумеется, до известных пределов), тем больше эквивалентная емкость. Т.е. тем дольше элемент будет питать энергией нагрузку. При пониженной окружающей температуре элемент «садится» быстрее.

Литиевые элементы – очень хорошие источники энергии.

У них высокие показатели удельной энергии, т.е. большое соотношение «энергия/вес» и очень небольшой саморазряд (менее одного процента в год). У свинцовых кислотных аккумуляторов, например, эти показатели гораздо хуже.

До встречи на блоге!