Современные носители информации

p>  Так что же такое Flash память, каковы ее преимущества и недостатки?

  Информационная ячейка такой памяти представляет собой миниатюрный конденсатор - пару проводников, отстоящих друг от друга на небольшом расстоянии и способных накапливать и удерживать в течение некоторого времени электрический заряд. Наличие заряда в ячейке памяти интерпретируется компьютером, как логическая единица, отсутствие заряда - как логический нуль.

  Время удержания заряда невелико и исчисляется миллисекундами. Даже современные материалы, из которых изготавливают разделяющие проводники изоляторы, не увеличивают времени саморазряда микроконденсаторов. Слишком уж невелики физические размеры ячеек и слишком невелики электрические заряды между парами проводников.

Для поддержания уровня зарядов и, соответственно, сохранения информации в ячейках микросхемы контроллер памяти постоянно подзаряжает конденсаторы. При обновлении содержимого памяти одни пары проводников разряжаются, другие, наоборот, получают заряд. Процесс происходит непрерывно, динамически и до тех пор, пока не отключено питание компьютера. Соответственно, и информация в микросхемах оперативной памяти сохраняется только пока компьютер не обесточен.

Остается добавить, что каждая ячейка электронной памяти, независимо от ее типа, имеет строго фиксированный системный адрес. Но доступ к любой ячейке - прямой, компьютеру не приходится последовательно проверять состояние всех ячеек, чтобы считать нужный бит информации.

Современная флэш-память обычно изготавливается по 0,13- и 0,18-микронному техпроцессу.

Общий принцип работы ячейки флэш-памяти.

Если рассмотреть простейшую ячейку флэш-памяти на одном n-p-n транзисторе,то ячейки подобного типа чаще всего использовались во flash-памяти с NOR архитектурой, и в микросхемах EPROM.

Эффект туннелирования – это вид эффекта, использующий волновые свойства электрона. Эффект заключается в том , что электрон преодолевает потенциальный  барьер малой «толщины».Основными преимущества MLC микросхем является то,что:

      При одинаковом размере микросхем "обычной" и MLC-памяти, MLC-память способна хранить больше информации ( т.к. размер ячейки тот же, но колличество хранимых в ней бит - больше) .

      На основе MLC создаются микросхемы большего объема, чем на основе однобитных ячеек.

Основными недостатками MLC явл-ся то что:

      Быстродействие микросхем на основе MLC часто ниже, чем у микросхем на основе однобитных ячеек .

      Снижение надёжности, по сравнению с однобитными ячейками. В следствии этого будет  необходимость встраивать более сложный механизм коррекции ошибок (т.к. чем больше бит на ячейку - тем сложнее механизм коррекции ошибок).

      Хоть  размер MLC-ячейки такой же, как и у однобитной, всё равно дополнительно тратится место на специфические схемы «чтения/записи» многоуровневых ячеек .  Хрология  многоуровневых ячеек от Intel носит название StrtaFlash, аналогичная от AMD MirrorBit.  

 

 

 

  2.2. Доступ к флэш-памяти

Существует три основных типа доступа:  

      обычный (Conventional): произвольный и асинхронный доступ к ячейкам памяти.      

      пакетный (Burst): синхронный, данные читаются параллельно, блоками по 16 или 32 слова. Преимуществом перед обычным типом доступа – является быстрое последовательное чтение данных. Недостаток –это медленный произвольный доступ.

      страничный (Page): асинхронный, блоками по 4 или 8 слов. Преимущества это: очень быстрый произвольный доступ в пределах текущей страницы. Недостаток: относительно медленное переключение между страницами.

 

2.3. Форматы карт Flash памяти

Наиболее распространенные типы карт памяти:

MultiMedia Card ,CompactFlash (CF) (I,II),  Memory Stick, SD Card, xD-Picture Card ,SmartMedia, , PC-Card (PCMCIA или ATA-Flash). Так же существуют и другие портативные форм-факторы флэш-памяти, но встречаются они намного реже этих.

Флэш-карты бывают двух типов: с параллельным (parallel) и с последовательным (serial) интерфейсом.

Параллельный:

Smart Media (SSFDC)

PC-Card (PCMCIA или ATA-Flash)

CompactFlash (CF)                  

Последовательный:

Sony Memory Stick

SD-Card (Secure Digital - Card)

PC-Card (PCMCIA) или ATA Flash 

MultiMedia Card (MMC) 

Интерфейс: параллельный

Самым старым и самым большим по размеру следует назвать PC Card .Карта снабжена ATA контроллером.. В настоящее время флэш-память этого типа используется редко. PC Card бывает объемом до 2GB. Существует три вида PC Card ATA (I, II и III). Все они различаются толщиной (3,3 5,0 и 10,5мм).

  PC-Card Flash бывают двух типов: PCMCIA Linear Flash Card и ATA Flash Card (Flash Disk). Linear встречается намного реже ATA flash и не совместим с последним. Отличие между ними состоит в том, что ATA Flash содержит в себе схему, позволяющую эмулировать обычный HDD, автоматически помечать испорченные блоки, и производить автоматическое стирание блоков.

Compact Flash (CF)

Интерфейс: 50-ти контактный, параллельный,  соответствует стандарту PCMCIA ATA.. Разработчики этого формата поставили цель: сохранить все преимущества карт ATA Flash, но исключить их основной недостаток - большие размеры. Разъёмы CF расположены на торце карты. Отсюда следует, что чтобы установить CompactFlash в слот PCMCIA достаточно простейшего адаптера CF-PCMCIA, который повторяет своими размерами обычную PC-Card.

"Карты CF могут работать в одном из трёх режимов: карт памяти PC Card, карт ввода-вывода PC Card, чистого IDE (ATA). В первых двух режимах карты работают с теми же интерфейсными сигналами, что и PC Card. В режиме IDE электрический интерфейс и система команд полностью совместимы со спецификацией ATA. Специально для флэш-"дисков" в систему команд ATA введена целая группа команд, начинающихся с префикса CFA (CompactFlash Association), ориентированных на специфику записи во флэш-память. Специфика заключается в том, что быстрее всего запись выполняется в чистый (стертый) блок ("сектор диска"), а перезапись требует относительно длительного стирания. (...) Дополнительные команды позволяют определять состояние секторов (чистый ли, сколько раз перезаписанный), выполнять стирание секторов и быструю запись в чистые секторы". (М. Гук, "Карты SD - твердотельные носители информации")

В скором времени будут приняты дополнения, которые позволят CF работать в режиме DMA. Следует заметить, что будущее CF уже определенно благодаря тому, что в этом типе карт реализуются давние наработки ATA,которые успешно прошли испытание временем на компьютерных жестких дисках.

CF+ IBM Microdrive:

Следует заметить, что существует устройство IBM Microdrive с интерфейсом CF II. Физически Microdrive представляет собой обычный винчестер (только очень маленький). Достоинством IBM Microdrive является его цена (1 МБайт обходится в среднем в 2 раза дешевле, чем у обычных CF). Недостатками IBM Microdrive является высокое энергопотребление и меньшая, чем у CF, надёжность. Со временем Microdrive начинает "сыпаться", и, соответственно, ёмкость его начинает падать. Кроме того, в связи с повышенным энергопотреблением IBM Microdrive работает не со всеми устройствами, предназначенными для CF II. На рынке также представлено аналогичное по функциональности IBM Microdrive устройство Iomega Click, однако, по ряду характеристик Iomega Click уступает IBM Microdrive.

SmartMedia (SSFDC - Solid State Floppy Disk Card)

Интерфейс: параллельный, 22-х контактный. Разработана в 1995 году компаниями Toshiba и Samsung. 8 из 22-х контактов карты используются для передачи данных, остальные же используются для питания микросхемы, и несут на себе другие вспомогательные функции. Толщина карты 0,76мм.

SmartMedia – это единственный формат флэш-карт (из тех, которые рассматриваются)который , не имеет встроенного контроллера. Существует две разновидности SmartMedia: 5-и и 3-х вольтовые (внешнеони они различаются маркировкой и тем, с какой стороны у них скошен угол: у 5В SmartMedia он скошен слева, а у 3,3В - справа).На карте имеется специальное углубление (в форме кружочка). Если в это место приклеить токопроводящий стикер, то карта будет защищена от записи.

xD-Picture Card

Интерфейс: параллельный, 22-х контактный. Анонсирован в 30 июля 2002 года компаниями Fujifilm и Olympus.

 

Словами разработчиков, XD следует расшифровывать как eXtreme Digital. Теоретически емкость карт xD может достигать 8ГБ! Известно, что скорость записи данных будет достигать 3 Мбайт/с, а скорость чтения - 5 Мбайт/с. Размеры карты: 20 х 25 х 1,7мм. Контакты у XD расположены, так же как и у SmartMedia, т.е. на лицевой части карты.

MMC (MultiMedia Card)

Интерфейс- последовательный, 7-ми контактный. Разработана в 1997 году компаниями Siemens Semiconductors , SanDisk ,Hitachi, Карты MMC содержат 7 контактов, из которых используется только 6, а седьмой формально считается зарезервированным на будущее. По стандарту MMC вполне способна работать на частотах до 20МГц. Карточка состоит из пластиковой оболочки и печатной платы, на которой расположена микросхема памяти, микроконтроллер и разведены контакты.

SD Card

Интерфейс-последовательный, 9-ти контактный. Формат разработан компаниями Matsushita, SanDisk, Toshiba в 2000 году.

SD-Card работает с напряжением 2,0В - 3,6В.Фактически карточки SD являются дальнейшим развитием стандарта MMC. Флэш-карты SD обратно совместимы с MMC (т.е. в устройство с разъемом SD можно вставить MMC, но наоборот нельзя).

Основными отличиями от MMC является то что:        

   По сравнению с MMC, в SD на два контакта больше. Оба этих новых контакта используются как дополнительные линии передачи данных. Данные передаются по одному-единственному контакту,а в SD данные могут передаваться по четырём контактам. На карточке так же присутствует переключатель защиты от записи - write protection switch . Обычно карточка SD толще и тяжелей чем MMC.  За счёт более толстой пластиковой оболочки, у неё улучшена стойкость к статическим разрядам.

Sony Memory Stick:

Интерфейс: последовательный, 10-ти контактный. Разработана в 1998 году компанией Sony. Особенных технических инноваций в MemoryStick не отмечено, за исключением переключателя защиты от записи (Write Protection Switch).. Максимальная частота, на которой может работать карта - 20МГц. Зарезервированные контакты используются в устройствах на базе интерфейса MemoryStick.

Существует разновидность Memory Stick – это Memory Stick Magic Gate (сокращенно MG). От обычного Memory Stick, MG отличается только цветом ( белый) и поддержкой механизма "защиты авторских прав" - Magic Gate . В 2000 году Sony разработала ещё один формат - Memory Stick Duo. От обычного MemoryStick, он  отличается меньшим  весом и размером. Совсем недавно, 15-го августа 2003 года появилась еще одна(!) модификации MemoryStick Pro Duo.

 

Накопители на флэш-памяти с последовательным интерфейсом USB (USB - брелки) :

Могут поддерживать парольную защиту, содержать переключатель защиты от записи, могут быть загрузочными. Бывают с поддержкой USB 2.0.

До сих пор существуют некоторые проблемы с драйверами для различных ОС, так что иногда иногда приходится таскать с собой вместе с брелком и драйвер на CD, однако постепенно проблем с драйверами становится меньше. Накопители информации на базе микросхем FLASH-памяти становятся всё более распространенными среди других носителей информации, и, наконец-то, начинают вытеснять прочие переносные носители типа дискет или CD-дисков. Многие используют их как переносные хранилища важной информации, однако, в связи с постоянным удешевлением конструкции FLASH-накопителей, качество их изготовления также сильно падает. Поэтому не удивительно, что на восстановление информации их стали приносить всё чаще.

Рассмотрим как устроен типовой USB FLASH DRIVE (далее UFD).

Как правило, он состоит из печатной платы небольшого размера, к которой припаян USB разъём. На печатной плате обычно находятся:

1.    Контроллер, обеспечивающий связь между микросхемой NAND FLASH памяти и USB интерфейсом.

2. Собственно сама FLASH-память. Она может выглядеть в виде одной или нескольких микросхем FLASH-памяти.

3.  Индикатор активности UFD.

4.  Переключатель защиты от записи.

5.Обвязки питания контроллера. В обвязку входят детали поддерживающие питание контроллера и микросхем FLASH-памяти.

Контроллеры, применяемые в UFD обычно изготавливаются несколькими довольно известными фирмами, и все остальные производители UFD их закупают. Таким образом, в отличие от НЖМД, UFD могут, в принципе, производиться в любом подвале. Однако тут стоит отметить, что для удешевления продукции подобные <подвальные> фирмы могут применять не качественную технологию пайки и дешёвые или отбракованные микросхемы FLASH-памяти. Соответственно качество таких изделий ниже,  чем у известных фирм.

Для компьютера UFD <выглядит> также, как и НЖМД, т.е. в виде одномерного массива секторов по 512 байт. У старых UFD каждый сектор микросхемы FLASH-памяти соответствовал одному и тому же логическому сектору в массиве секторов,  который видела операционная система как жёсткий диск. Однако выяснилось,  что ячейки FLASH-памяти имеют тенденцию изнашиваться и довольно быстро приходить в негодность. Причём в основном в тех местах, которые часто перезаписывались. Обычно, это область таблицы размещения файлов на диске. Для того, что бы микросхемы FLASH-памяти изнашивались равномерно, была придумана следующая схема. В UFD ввели транслятор, т.е. при последовательной записи несколько раз в один и тот же логический сектор данные стали записываться каждый раз в другую физическую ячейку в микросхеме FLASH-памяти. Установка соответствия логических секторов физическим обычно производится при помощи специальной таблицы трансляции.

Это увеличивает срок службы UFD, однако усложняет восстановление информации, поскольку приходится собирать сектора в правильную цепочку без помощи штатного контроллера UFD. Кроме того, в микросхеме FLASH-памяти записана ещё служебная информация, отвечающая за то, как будет определяться UFD в операционной системе.

Принципы восстановления информации с UFD.

На данный момент есть два способа восстановления информации с FLASH дисков. Первый и наиболее простой способ - это ремонт UFD с последующим копированием с него информации. Перечислим наиболее часто встречающиеся неисправности в UFD в порядке вероятности их возникновения:1.  Разломы и трещины пайки. Появляются из - за неаккуратного обращения с UFD. Решаются данные проблемы обычно пропайкой печатной платы UFD 2. Сгорание предохранителей в цепи питания UFD - решается их заменой. 3.  Сгорание стабилизатора напряжения из обвязки контроллера. Решается также его заменой.

4. Сгорание контроллера. Эта проблема уже довольно сложна т. к. контроллер обычно является нераспространённой деталью, уникальной для данной серии UFD,  и,  нередко,  для восстановления информации с UFD требуется использовать UFD донор - т. е. такой же UFD того же производителя. 5.    Сгорание микросхемы FLASH-памяти - при данной неисправности восстановить информацию обычно не возможно.