Что такое флеш-память. Флеш-память — Национальная библиотека им. Н. Э. Баумана

Флеш память Сюда перенаправляется запрос Флэш-карты . На тему «Флэш-карты» .

Характеристики

Скорость некоторых устройств с флеш-памятью может доходить до 100 Мб/с . В основном флеш-карты имеют большой разброс скоростей и обычно маркируются в скоростях стандартного CD-привода (150 КБ/с). Так указанная скорость в 100x означает 100 × 150 КБ/с = 15 000 КБ/с= 14.65 МБ/с.

В основном объём чипа флеш-памяти измеряется от килобайт до нескольких гигабайт .

Для увеличения объёма в устройствах часто применяется массив из нескольких чипов. К 2007 году USB устройства и карты памяти имели объём от 512 МБ до 64 ГБ . Самый большой объём USB устройств составлял 4 ТБ .

Файловые системы

Основное слабое место флеш-памяти - количество циклов перезаписи. Ситуация ухудшается также в связи с тем, что ОС часто записывает данные в одно и то же место. Например, часто обновляется таблица файловой системы, так что первые сектора памяти израсходуют свой запас значительно раньше. Распределение нагрузки позволяет существенно продлить срок работы памяти.

Для решения этой проблемы были созданы специальные файловые системы: JFFS2 и YAFFS для GNU/Linux и Microsoft Windows.

SecureDigital и FAT.

Применение

Флеш-память наиболее известна применением в USB флеш-носителях (англ. USB flash drive ). В основном применяется NAND тип памяти, которая подключается через USB по интерфейсу USB mass storage device (USB MSC). Данный интерфейс поддерживается всеми ОС современных версий.

Благодаря большой скорости, объёму и компактным размерам USB флеш-носители полностью вытеснили с рынка дискеты. Например, компания 2003 года перестала выпускать компьютеры с дисководом гибких дисков .

В данный момент выпускается широкий ассортимент USB флеш-носителей, разных форм и цветов. На рынке присутствуют флешки с автоматическим шифрованием записываемых на них данных. Японская компания Solid Alliance даже выпускает флешки в виде еды .

Есть специальные дистрибутивы GNU/Linux и версии программ , которые могут работать прямо с USB носителей, например, чтобы пользоваться своими приложениями в интернет-кафе .

Технология Windows Vista способна использовать USB-флеш носитель или специальную флеш-память, встроенную в компьютер, для увеличения быстродействия . На флеш-памяти также основываются карты памяти, такие как SecureDigital (SD) и Memory Stick , которые активно применяются в портативной технике (фотоаппараты, мобильные телефоны). Вкупе с USB носителями флеш-память занимает большую часть рынка переносных носителей данных.

NOR тип памяти чаще применяется в BIOS и ROM-памяти устройств, таких как DSL модемы, маршрутизаторы и т. д. Флеш-память позволяет легко обновлять прошивку устройств, при этом скорость записи и объём для таких устройств не так важны.

Сейчас активно рассматривается возможность замены жёстких дисков на флеш‑память. В результате увеличится скорость включения компьютера, а отсутствие движущихся деталей увеличит срок службы. Например, в XO-1 , «ноутбуке за 100 $», который активно разрабатывается для стран третьего мира, вместо жёсткого диска будет использоваться флеш-память объёмом 1 ГБ . Распространение ограничивает высокая цена за ГБ и меньший срок годности, чем у жёстких дисков из-за ограниченного количества циклов записи.

Типы карт памяти

Существуют несколько типов карт памяти, используемых в портативных устройствах:

MMC (MultiMedia Card) : карточка в формате MMC имеет небольшой размер - 24×32×1,4 мм. Разработана совместно компаниями SanDisk и Siemens. MMC содержит контроллер памяти и обладает высокой совместимостью с устройствами самого различного типа. В большинстве случаев карты MMC поддерживаются устройствами со слотом SD.

RS-MMC (Reduced Size MultiMedia Card) : карта памяти, которая вдвое короче стандартной карты MMC. Её размеры составляют 24×18×1,4 мм, а вес - около 6 г, все остальные характеристики не отличаются от MMC. Для обеспечения совместимости со стандартом MMC при использовании карт RS-MMC нужен адаптер. DV-RS-MMC (Dual Voltage Reduced Size MultiMedia Card) : карты памяти DV-RS-MMC с двойным питанием (1,8 и 3,3 В) отличаются пониженным энергопотреблением, что позволит работать мобильному телефону немного дольше. Размеры карты совпадают с размерами RS-MMC, 24×18×1,4 мм. MMCmicro : миниатюрная карта памяти для мобильных устройств с размерами 14×12×1,1 мм. Для обеспечения совместимости со стандартным слотом MMC необходимо использовать переходник.

SD Card (Secure Digital Card) : поддерживается фирмами Panasonic и : Старые карты SD так называемые Trans-Flash и новые SDHC (High Capacity) и устройства их чтения различаются ограничением на максимальную ёмкость носителя, 2 ГБ для Trans-Flash и 32 ГБ для High Capacity (Высокой Ёмкости). Устройства чтения SDHC обратно совместимы с SDTF, то есть SDTF карта будет без проблем прочитана в устройстве чтения SDHC, но в устройстве SDTF увидится только 2 ГБ от ёмкости SDHC большей ёмкости, либо не будет читаться вовсе. Предполагается, что формат TransFlash будет полностью вытеснен форматом SDHC. Оба суб-формата могут быть представлены в любом из трёх форматов физ. размеров (Стандартный, mini и micro). miniSD (Mini Secure Digital Card) : От стандартных карт Secure Digital отличаются меньшими размерами 21,5×20×1,4 мм. Для обеспечения работы карты в устройствах, оснащённых обычным SD-слотом, используется адаптер. microSD (Micro Secure Digital Card) : являются на настоящий момент (2008) самыми компактными съёмными устройствами флеш-памяти (11×15×1 мм). Используются, в первую очередь, в мобильных телефонах, коммуникаторах, и т. п., так как, благодаря своей компактности, позволяют существенно расширить память устройства, не увеличивая при этом его размеры. Переключатель защиты от записи вынесен на адаптер microSD-SD.

MS Duo (Memory Stick Duo) : данный стандарт памяти разрабатывался и поддерживается компанией

Что такое флеш-память? | Флеш-память (на англ. Flash Memory ) или флеш-накопитель - вид твердотельной полупроводниковой энергонезависимой и перезаписываемой памяти.

Данный вид памяти может быть прочитан большое количество раз в пределах срока хранения информации, обычно от 10 до 100 лет. Но производить запись в память можно лишь ограниченное число раз (обычно в районе миллиона циклов). В основном в мире распространена флеш память, выдерживающая около ста тысяч циклов перезаписи и это гораздо больше, чем способна выдержать обычная дискета или диск CD-RW.
В отличие от накопителей на жестких дисках (HDD), флеш-память не содержит подвижных механических частей, и поэтому считается более надёжным и компактным видом носителя информации.
Так, благодаря своей компактности, относительной дешевизне и очень низкому энергопотреблению, флеш-накопители широко применяется в цифровом портативном оборудовании – в видео- и фотокамерах, в диктофонах, в MP3-плеерах, в КПК, в мобильных телефонах, смартфонах и коммуникаторах. Более того, данный вид памяти применяется для хранения встроенного ПО в различном оборудовании (модемы, мини-АТС, сканеры, принтеры, маршрутизаторы).
В последнее время широкое распространение получили флеш-накопители с USB входом (обычно говорят «флешка», USB-диск), вытеснившие дискеты и CD-диски.
В наше время основным недостатком устройств на базе флеш-накопителей, является очень высокое соотношение цена-объём, намного превышающий в сравнении с жесткими дисками в 2–5 раз. Поэтому объёмы флеш-дисков не очень велики, но в этих направлениях ведутся работы. Удешевляя технологический процесс и под действием конкуренции, уже многие фирмы заявили о выпуске SSD-дисков объёмом 512 ГБ и более. Например, в феврале 2011 года компания OCZ Technology предложила PCI-Express SSD-накопитель ёмкостью 1,2 ТБ, и позоляющий производить 10 млн. циклов на запись.
Современные SSD-накопители разрабатываются на базе многоканальных контроллеров, обеспечивающих параллельное чтение или запись сразу из нескольких микропроцессоров флеш-памяти. В следствие этого уровень производительности увеличился во столько раз, что ограничивающим фактором стала пропускная способность интерфейса SATA II.

КАК РАБОТАЕТ ФЛЕШ-ПАМЯТЬ

Флеш-накопитель сохраняет данные в массиве состоящий из транзисторов с плавающим затвором, называемые ячейками (на англ. cell). В обычных устройствах с одноуровневыми ячейками (на англ. single-level cell), любая из них может "запомнить" только один бит данных. Но некоторые более новые чипы с многоуровневыми ячейками (на англ. multi-level cell или triple-level cell) могут "запомнить" больше одного бита. В последнем случае на плавающем затворе транзистора может используется разный электрический заряд.

NOR ФЛЕШ-ПАМЯТЬ (NOR FLASH MEMORY)

В основе данного типа флеш-памяти лежит алгоритм ИЛИ-НЕ (на англ. NOR), так как в транзисторе с плавающим затвором слишком малое напряжение на затворе обозначает единицу.
Данный тип транзистора состоит из двух затворов: плавающего и управляющего. Первый затвор полностью изолирован и имеет возможность удерживать электроны до десяти лет. Ячейка также состоит из стока и истока. При подаче напряжения на управляющий затвор образуется электрическое поле и возникает так называемый туннельный эффект. Большая часть электронов переносится (туннелирует) через слой изолятора и проникает на плавающий затвор. Заряд на плавающем затворе транзистора изменяет «ширину» сток-исток и проводимость канала, что используется при чтении.
Запись и чтение ячеек очень сильно различаются в энергопотреблении: так, флеш-накопители потребляют больше тока при записи, чем при чтении (потребляется очень мало энергии).
Для удаления (стирания) данных на управляющий затвор подаётся достаточно высокое отрицательное напряжение, что приводит к обратному эффекту (электроны с плавающего затвора с помощью туннельного эффекта переходят на исток).
В NOR-архитектуре существует необходимость подводить к каждому транзистору контакт, что сильно увеличивает размеры процессора. Эта проблема решается с помощью новой NAND-архитектуры.

NAND ФЛЕШ-ПАМЯТЬ (NAND FLASH MEMORY)

В основе NAND-архитектуры лежит И-НЕ алгоритм (на англ. NAND). Принцип работы аналогичен NOR-типу, и отличается только расположением ячеек и их контактов. Уже нет необходимости подводить контакт к каждой ячейке памяти, так что стоимость и размер NAND-процессора значительно меньше. За счет этой архитектуры, запись и стирание происходят заметно быстрее. Однако эта технология не позволяет обращаться к произвольной области или ячейке, как в NOR.
Для достижения максимальной плотности и емкости, флеш-накопитель, изготовленный по технологии NAND, использует элементы с минимальными размерами. Поэтому, в отличие от NOR-накопителя допускается наличие сбойных ячеек (которые блокируются и не должны быть использованы в дальнейшем), что заметно усложняет работу с такой флеш-памятью. Более того, сегменты памяти в NAND снабжаются функцией CRC для проверки их целостности.
В настоящее время NOR и NAND-архитектуры существуют параллельно и никак не конкурируют друг с другом, поскольку у них разная область применения. NOR используется для простого хранения данных малого объема, NAND - для хранения данных большого размера.

ИСТОРИЯ ФЛЕШ-НАКОПИТЕЛЕЙ

Впервые флеш-память была изобретена в 1984 году инженером Фудзио Масуокой (Fujio Masuoka) работающего в то время в компании Toshiba. Название «flash» было придумано его коллегой Фудзио, Сёдзи Ариидзуми (Shoji Ariizumi), так как процесс стирания данных из памяти напомнил ему фотовспышку (на англ. flash). Фудзио представил свою разработку на Международном семинаре по электронным устройствам (International Electron Devices Meeting), в Сан-Франциско, в Калифорнии. Компанию Intel заинтересовало данное изобретение и через четыре года в 1988 году она выпустила первый коммерческий флеш-процессор NOR-типа.
NAND-архитектура флеш-памяти была анонсирована спустя год компанией Toshiba в 1989 году на Международной конференции построения твердотельных схем (International Solid-State Circuits Conference). У NAND-чипа была больше скорость записи и меньше площадь схемы.
В конце 2010 года, лидерами по производству флеш-накопителей являются Samsung (32% рынка) и Toshiba (17% рынка).
Стандартизацией процессоров флеш-памяти NAND-архитектуры занимается группа ONFI (NAND Flash Interface Working Group). Настоящим стандартом считается спецификация ONFI 1.0, выпущенная 28 декабря 2006 года. Стандартизацию ONFI при производстве NAND-процессоров поддерживают такие компании, как Samsung, Toshiba, Intel, Hynix и др.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ФЛЕШ-НАКОПИТЕЛЕЙ

В настоящее время объём флеш-накопителей измеряется от килобайт до сотен гигабайт.

В 2005 году две компании Toshiba и SanDisk представили NAND-процессоры общим объёмом 1 Гб, использующие технологию многоуровневых ячеек (транзистор может хранить несколько бит данных, используя различный электрический заряд на плавающем затворе).

В сентябре 2006 года компания Samsung представила 4-гигабайтный чип, изготовленный по 40-нм технологическому процессу.

В конце 2007 года Samsung известила о создании первого в мире NAND-чипа, использующего технологию многоуровневых ячеек, выполненного уже по 30-нм технологическому процессу с ёмкостью накопителя 8 Гб.

В декабре 2009 года, компания Toshiba заявила, что 64 Гб NAND-чип уже поставляется заказчикам и массовый выпуск начался в первом квартале 2010 года.

16 июня 2010 года Toshiba представила первый в истории 128 Гб процессор, состоящий из шестнадцати модулей по 8 Гб.
Для повышения объёма флеш-памяти, в устройствах часто применяется комплексный массив, состоящий из нескольких процессоров.

В апреле 2011 года компании Intel и Micron представили MLC NAND флэш-чип емкостью 8 Гбайт, произведенного по 20-нм технологическому процессу. Самый первый 20-нм NAND процессор имеет площадь 118 мм, что на 35-40% меньше, чем у доступных в настоящее время 25-нм чипов на 8 Гбайт. Серийное производство данного чипа начнется в конце 2011 года.

ВИДЫ И ТИПЫ КАРТ ПАМЯТИ И ФЛЕШ-НАКОПИТЕЛЕЙ

CF (на англ. Compact Flash ): один из старейших стандартов типов памяти. Первая CF флеш-карта была произведена корпорацией SanDisk еще в 1994 году. Данный формат памяти очень распространён и в наше время. Чаще всего он применяется в профессиональном видео- и фото-оборудовании, так как ввиду своих больших размеров (43х36х3,3 мм) слот для Compact Flash физически проблематично установить в мобильные телефоны или MP3-плееры. Кроме того, ни одна карта не может похвастаться такими скоростями, объемами и надежностью. Максимальный объём Compact Flash уже достиг размера в 128 Гбайт, а скорость копирования данных увеличена до 120 Мбайт/с.

MMC (на англ. Multimedia Card ): карта в формате MMC имеет небольшой размер - 24х32х1,4 мм. Разработана совместно компаниями SanDisk и Siemens. MMC содержит контроллер памяти и обладает высокой совместимостью с устройствами самого различного типа. В большинстве случаев карты MMC поддерживаются устройствами со слотом SD.

RS-MMC (на англ. Reduced Size Multimedia Card ): карта памяти, которая вдвое меньше по длине стандартной карты MMC. Её размеры составляют 24х18х1,4 мм, а вес - порядка 6 гр., все остальные характеристики и параметры не отличаются от MMC. Для обеспечения совместимости со стандартом MMC при использовании карт RS-MMC нужен адаптер.

DV-RS-MMC (на англ. Dual Voltage Reduced Size Multimedia Card ): карты памяти DV-RS-MMC с двойным питанием (1,8 и 3,3 В) отличаются пониженным энергопотреблением, что позволит работать мобильному телефону немного дольше. Размеры карты совпадают с размерами RS-MMC, 24х18х1,4 мм.

MMCmicro : миниатюрная карта памяти для мобильных устройств с размерами 14х12х1,1 мм. Для обеспечения совместимости со стандартным слотом MMC необходимо использовать специальный переходник.

SD Card (на англ. Secure Digital Card ): поддерживается фирмами SanDisk, Panasonic и Toshiba. Стандарт SD является дальнейшим развитием стандарта MMC. По размерам и характеристикам карты SD очень похожи на MMC, только чуть толще (32х24х2,1 мм). Основное отличие от MMC - технология защиты авторских прав: карта имеет криптозащиту от несанкционированного копирования, повышенную защиту информации от случайного стирания или разрушения и механический переключатель защиты от записи. Несмотря на родство стандартов, карты SD нельзя использовать в устройствах со слотом MMC.

SDHC (на англ. SD High Capacity , SD высокой ёмкости ): Старые карты SD (SD 1.0, SD 1.1) и новые SDHC (SD 2.0) и устройства их чтения различаются ограничением на максимальную ёмкость носителя, 4 Гб для SD и 32 Гб для SDHC. Устройства чтения SDHC обратно совместимы с SD, то есть SD-карта будет без проблем прочитана в устройстве чтения SDHC, но в устройстве SD карта SDHC не будет читаться вовсе. Оба варианта могут быть представлены в любом из трёх форматов физических размеров (стандартный, mini и micro).

miniSD (на англ. Mini Secure Digital Card ): От стандартных карт Secure Digital отличаются меньшими размерами 21,5х20х1,4 мм. Для обеспечения работы карты в устройствах, оснащённых обычным SD-слотом, используется адаптер.

microSD (на англ. Micro Secure Digital Card ): в 2011 году являются самыми компактными съёмными устройствами флеш-памяти (11х15х1 мм). Используются, в первую очередь, в мобильных телефонах, коммуникаторах и т. п., так как, благодаря своей компактности, позволяют существенно расширить память устройства, не увеличивая при этом его размеры. Переключатель защиты от записи вынесен на адаптер microSD-SD. Максимальный объём карты microSDHC, выпущенной SanDisk в 2010 году, равен 32 Гб.

Memory Stick Duo : данный стандарт памяти разрабатывался и поддерживается компанией Sony. Корпус достаточно прочный. На данный момент - это самая дорогая память из всех представленных. Memory Stick Duo был разработан на базе широко распространённого стандарта Memory Stick от той же Sony, отличается малыми размерами (20х31х1,6 мм).

Memory Stick Micro (M2) : данный формат является конкурентом формата microSD (по размеру), сохраняя преимущества карт памяти Sony.

xD-Picture Card : карта используются в цифровых фотоаппаратах фирм Olympus, Fujifilm и некоторых других.

На сегодняшний день флешки являются самыми популярными внешними носителями данных. В отличие от оптических и магнитных дисков (CD/DVD и винчестеры соответственно), флеш-накопители более компактны и устойчивы к механическим повреждениям. А за счет чего были достигнуты компактность и устойчивость? Давайте же разберемся!

Первое, что следует отметить — внутри flash-накопителя нет движущихся механических частей, которые могут пострадать от падений или сотрясений. Это достигается за счет конструкции — без защитного корпуса флешка представляет собой печатную плату, к которой припаян USB-разъем. Давайте рассмотрим её составляющие.

Основные компоненты

Составные части большинства флешек можно разделить на основные и дополнительные.

К основным относятся:

1. чипы NAND-памяти;
2. контроллер;
3. кварцевый резонатор.
4. USB-разъем

NAND-память
Накопитель работает благодаря NAND-памяти: полупроводниковым микросхемам. Чипы такой памяти, во-первых, весьма компактны, а во-вторых — очень ёмкие: если на первых порах флешки по объему проигрывали привычным на тот момент оптическим дискам, то сейчас превышают по ёмкости даже диски Blu-Ray. Такая память, ко всему прочему, еще и энергонезависимая, то есть для хранения информации ей не требуется источник питания, в отличие от микросхем оперативной памяти, созданных по похожей технологии.

Однако у НАНД-памяти есть один недостаток, в сравнении с другими типами запоминающих устройств. Дело в том, что срок службы этих чипов ограничен определенным количеством циклов перезаписи (шагов чтения/записи информации в ячейках). В среднем количество read-write cycles равно 30 000 (зависит от типа чипа памяти). Кажется, это невероятно много, но на самом деле это равно примерно 5 годам интенсивного использования. Впрочем, даже если ограничение будет достигнуто, флешкой можно будет продолжать пользоваться, но только для считывания данных. Кроме того, вследствие своей природы, NAND-память очень уязвима к перепадам электричества и электростатическим разрядам, так что держите её подальше от источников подобных опасностей.

Контроллер
Под номером 2 на рисунке в начале статьи находится крохотная микросхема — контроллер, инструмент связи между флеш-памятью и подключаемыми устройствами (ПК, телевизорами, автомагнитолами и пр.).

Контроллер (иначе называется микроконтроллер) представляет собой миниатюрный примитивный компьютер с собственным процессором и некоторым количеством RAM, используемыми для кэширования данных и служебных целей. Под процедурой обновления прошивки или BIOS подразумевается как раз обновление ПО микроконтроллера. Как показывает практика, наиболее частая поломка флешек — выход из строя контроллера.

Кварцевый резонатор
Данный компонент представляет собой крохотный кристалл кварца, который, как и в электронных часах, производит гармонические колебания определенной частоты. Во флеш-накопителях резонатор используется для связи между контроллером, NAND-памятью и дополнительными компонентами.

Эта часть флешки также подвержена риску повреждения, причем, в отличие от проблем с микроконтроллером, решить их самостоятельно практически невозможно. К счастью, в современных накопителях резонаторы выходят из строя относительно редко.

USB-коннектор
В подавляющем большинстве случаев в современных флешках установлен разъем USB 2.0 типа A, ориентированный на прием и передачу. В самых новых накопителях используется USB 3.0 типа А и типа C.

Дополнительные компоненты

Кроме упомянутых выше основных составляющих запоминающего flash-устройства, производители нередко снабжают их необязательными элементами, такими как: светодиод-индикатор, переключатель защиты от записи и некоторые специфические для определенных моделей особенности.

Светодиодный индикатор
Во многих flash-накопителях присутствует небольшой, но довольно яркий светодиод. Он предназначен для визуального отображения активности флешки (запись или считывание информации) или же просто является элементом дизайна.

Этот индикатор чаще всего не несет никакой функциональной нагрузки для самой флешки, и нужен, по сути, только для удобства пользователя или для красоты.

Переключатель защиты от записи
Этот элемент характерен скорее для SD-карт, хотя порой встречается и на запоминающих устройствах USB. Последние нередко используются в корпоративной среде как носители разнообразной информации, в том числе важной и конфиденциальной. Чтобы избежать инцидентов со случайным удалением таких данных, производителями флеш-накопителей в некоторых моделях применяется переключатель защиты: резистор, который при подключении в цепь питания запоминающего устройства не дает электрическому току добираться к ячейкам памяти.

При попытке записать или удалить информацию с накопителя, в котором включена защита, ОС выдаст такое вот сообщение.

Подобным образом реализована защита в так называемых USB-ключах: флешках, которые содержат в себе сертификаты безопасности, необходимые для корректной работы некоторого специфического ПО.

Этот элемент тоже может сломаться, в результате чего возникает досадная ситуация — девайс вроде работоспособен, но пользоваться им невозможно. У нас на сайте есть материал, который может помочь решить эту проблему.

Уникальные компоненты

К таковым можно отнести, например, наличие разъемов Lightning, microUSB или Type-C: флешки с наличием таковых предназначены для использования в том числе на смартфонах и планшетах.

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.

Всем доброго дня!
Сегодняшняя статья положит начало новому, небольшому циклу статей, посвященному хранению информации, различным типам памяти, способам записывания/считывания информации и всему, что с этим связано 😉 И начнем мы с устройства хорошо нам всем знакомой Flash-памяти.

Что из себя вообще представляет Flash-память? Да просто обычная микросхема, ничем внешне не отличающаяся от любой другой. Поэтому может возникнуть резонный вопрос – а что там внутри и как вообще происходят процессы сохранения/считывания информации.

Итак, сердцем многих устройств памяти является полевой транзистор с плавающим затвором. Гениальнейшее изобретение 70-х годов 20-го века. Его отличие от обычных полевых транзисторов заключается в том, что между затвором и каналом, прямо в диэлектрике, расположен еще один проводник – который и называют плавающим затвором. Вот как все это выглядит:

На рисунке мы видим привычные нам сток-исток-затвор, а также расположенный в диэлектрике дополнительный проводник. Давайте разберемся как же это устройство работает.

Создадим между стоком и истоком разность потенциалов и подадим положительный потенциал на затвор. Что тогда произойдет? Правильно, через полевой транзистор, от стока к истоку потечет ток. Причем величина тока достаточно велика для того, чтобы “пробить” диэлектрик. В результате этого пробоя часть электронов попадет на плавающий затвор. Отрицательно заряженный плавающий затвор создает электрическое поле, которое начинает препятствовать протеканию тока в канале, в результате чего транзистор закрывается. И если отключить питание транзистора, электроны с плавающего затвора никуда не денутся и его заряд останется неизменным на долгие годы.

Но, конечно же, есть способ разрядить плавающий затвор. Для этого надо всего лишь подать на “основной” затвор напряжение противоположного знака, которое и “сгонит” все электроны, в результате чего плавающий затвор останется не заряженным.

Собственно так и происходит хранение информации – если на затворе есть отрицательный заряд, то такое состояние считается логической единицей, а если заряда нет – то это логический ноль.

С сохранением информации разобрались, осталось понять как нам считать информацию из транзистора с плавающим затвором. А все очень просто. При наличии заряда на плавающем затворе его электрическое поле препятствует протеканию тока стока. Допустим при отсутствии заряда мы могли подавать на “основной” затвор напряжение +5В, и при этом в цепи стока начинал протекать ток. При заряженном плавающем затворе такое напряжение не сможет заставить ток течь, поскольку электрическое поле плавающего затвора будет ему мешать. В этом случае ток потечет только при напряжении +10В (к примеру =)). Таким образом, мы получаем два пороговых значения напряжения. И, подав, к примеру +7.5В мы сможем по наличию или отсутствию тока стока сделать вывод о наличии или отсутствии заряда на плавающем затворе. Вот таким образом и происходит считывание сохраненной информации.

Как все это связано с Flash-памятью? А очень просто – полевой транзистор с плавающим затвором является минимальной ячейкой памяти, способной сохранить один бит информации. И любая микросхема памяти состоит из огромного количества расположенных определенным образом транзисторов. И вот теперь пришло время рассмотреть основные типы Flash-памяти. А именно я бы хотел обсудить NOR и NAND память.

Оба этих типа памяти построены на основе транзисторов с плавающим затвором, которым мы сегодня уделили немало времени) А принципиальное отличие состоит в том, каким образом соединены эти транзисторы.

Конструкция NOR использует двумерную таблицу проводников. Проводники называют линией битов и линией слов. Все стоки транзисторов подключаются к линии битов, а все затворы к линии слов. Рассмотрим пример для лучшего понимания.

Пусть нам надо считать информацию из какой-то конкретной ячейки. Эта ячейка, а точнее этот конкретный транзистор, подключен затвором на одну из линий слов, а стоком на одну из линий битов. Тогда мы просто подаем пороговое напряжение на линию слов, соответствующую затвору нашего транзистора и считываем его состояние как в том примере, что мы рассмотрели чуть выше для одной ячейки.

С NAND все несколько сложнее. Если возвращаться к аналогии с массивом, то ячейки NAND-памяти представляют собой трехмерный массив. То есть к каждой линии битов подключен не один, а сразу несколько транзисторов, что в итоге приводит к уменьшению количества проводников и увеличению компактности. Это как раз и является одним из главных преимуществ NAND-памяти. Но как же нам считать состояние определенного транзистора при такой структуре? Для понимания процесса рассмотрим схему:

Как видно из схемы, одна линия битов соответствует нескольким ячейкам. И важной особенностью является следующее: если хотя бы один из транзисторов закрыт, то на линии битов будет высокое напряжение. Вот смотрите:

Действительно, низкий уровень на линии битов будет только тогда, когда вся цепочка транзисторов окажется открытой (вспоминаем курс, посвященный полевым транзисторам 😉).

С этим вроде бы понятно, возвращаемся к нашему вопросу – как же считать состояние конкретного транзистора? А для этого недостаточно просто подать на линию слов (на затвор транзистора) пороговое напряжение и следить за сигналом на линии битов. Необходимо еще чтобы все остальные транзисторы были в открытом состоянии. А делается это так – на затвор нашего транзистора, состояние которого нам нужно считать, подается пороговое напряжение (как и в случае с NOR-памятью), а на затворы всех остальных транзисторов в этой цепочке подается повышенное напряжение, такое чтобы независимо от состояния плавающего затвора транзистор открылся. И тогда считав сигнал с линии битов мы узнаем в каком состоянии интересующий нас транзистор (ведь все остальные абсолютно точно открыты). Вот и все)

Такая вот получилась статейка сегодня) Разобрались мы с принципом работы и основными типами Flash, а также с устройством и принципом работы NAND и NOR-памяти. Надеюсь, что статья окажется полезной и понятной, до скорых встреч!