Устройства флэш-памяти, кардридеры

Флэш-накопители

Сегодня флэш-диски (Flash Disks — вспышка) — самый популярный класс энергонезависимых запоминающих устройств долговременного хранения информации с возможностью многократной перезаписи.

Особенностями устройства являются то, что и стирание, и запись данных осуществляется блоками, а в самом устройстве отсутствуют подвижные механические части.

Обычно флэш-память создается на базе логических схем NAND (логическая схема НЕ-И, штрих Шеффера) и NOR (HE-ИЛИ, стрелка Пирса). Флэш-память на базе логических схем NOR позволяет организовать произвольный доступ к данным, такая память может стать основой для создания ОЗУ. В микросхеме флэш-памяти одна ячейка может хранить два или более бит. Создана технология MLC (MultiLevel Cell — многоуровневые ячейки), которая основывается на аналоговой природе ячейки памяти, способности различать более двух величин зарядов, помещенных на «плавающий» затвор. Однобайтные ячейки классифицируются как одноуровневые ячейки — Single Level Cell (SLC). Таким образом, емкость флэш-дисков на основе технологии MLC и логических схем NAND может достигать нескольких сотен килобайт при крайне малых размерах накопителей. Достоинства MLC-микросхем состоят в более низкой удельной стоимости хранения и большой емкости; недостатками являются падение надежности хранения, использование сложных механизмов коррекции ошибок и низкое быстродействие микросхем. Для доступа к данным применяются указатели адресов блоков, доступ и передача байтов данных осуществляется в последовательном порядке с использованием стробирующего сигнала. Тотальное стирание содержимого блока данных выполняется одним сигналом^[1].

Конструктивно флэш-диски могут быть выполнены и в виде микросхемы. Например, флэш-диск Disk on Chip 2000 фирмы «?-Systems» представляет собой DIP-микросхему с 32 контактами (современные ROM BIOS выполняются также на основе флэш-памяти в виде обычной микросхемы). Корпорации «M-Systems» и «Toshiba» в 2002 г. анонсировали флэш-накопитель Mobile Disk on Chip G3, изготовленный в виде многоуровневой ячейки по технологии NAND. Емкость построенного по нормам 0,13 мкм чипа равна 64 Мбайт. Поддерживается прямой доступ к памяти (DMA) и режим Multy Burst, обеспечивающий скорость чтения 80 Мбайт/с и коррекцию ошибок.

Многие производители предусматривают на своих системных платах гнезда для установки флэш-чипов. Интерфейс для их подключения аналогичен интерфейсу ПЗУ BIOS. Флэш-диски в настоящее время выпускаются многими фирмами, с различными интерфейсами и в разных конструктивных исполнениях. Они могут быть не только внешними дисками ПК, но и устанавливаться внутри системного блока.

Флэш-карты, или кардридеры, выполнены в виде печатных плат, они позиционируются для непосредственной установки в разъемы системной платы компьютера. Другое применение флэш-дисков — в виде полупостоянного запоминающего устройства, в котором стирание, считывание и запись информации выполняются электрическими сигналами (в ПЗУ стирание и запись информации производятся лучом лазера или чисто механически — «перепрошивкой»).

Число циклов перезаписи информации в одну и ту же ячейку у флэш-памяти ограничено, но обычно не превышает 1 млн.

Для повышения надежности и длительности эксплуатации флэш-памяти применяют программные и аппаратные средства формирования виртуальных блоков для записи информации поочередно в разные области флэш-памяти таким образом, чтобы число циклов стирания и записи было равномерно распределено по всей физической флэш-памяти.

В целом же флэш-диски обладают высочайшей надежностью — среднее время наработки на отказ более миллиона часов; они устойчивы и к механическим ускорениям и вибрациям, изменению температуры (от -40 до 4−85 °С). Во время выполнения операций чтения-записи флэш-диски обычно потребляют не более 200 мВт электроэнергии и, естественно, не шумят. Значительно чаще флэш-память используется в качестве альтернативных HDD твердотельных дисков. Для этого компьютер должен иметь периферийные интерфейсы АТА (IDE), Serial АТА, USB, IEEE 1394, PCI и др. Широкое применение флэш-диски нашли в цифровых фотои видеокамерах.

Рассмотрим конструктивные варианты исполнения и форматы флэш-карт.

АТА Flash (PC Card АТА) обладает емкостью до 1 Гбайт, габаритными размерами 85,6×54×3,3 мм, снабжена 68-контактным разъемом (совместимым со стандартным разъемом PCMCIA ноутбука) и АТА-контроллером, обеспечивается эмуляция обычного жесткого диска. Стандарт PC Card распространен на рынке портативных компьютеров.

Compact Flash (CF) имеет следующие модификации: Compact Flash Typel (CF1) и Compact Flash Type2 (CF2). Compact Flash Typel — распространенный формат. Размеры флэш-карт — 42,8×36,4×3,3 мм, масса — 10 г, соответствует спецификации PCMCIA, емкость карты — до 1 Гбайт, скорость чтения — 1 Мбайт/с, а скорость записи -1,2 Мбайт/с. Compact Flash Туре2 — флэш-карты имеют толщину 5 мм, что позволило увеличить их емкость до 4 Гбайт, скорость чтения-записи — 1,4 Мбайт/с.

Smart Media (SM) — твердотельный диск, предложенный в 1998 г. компанией «Toshiba». Габаритные размеры устройства — 45,5×37×0,76 мм, масса — 2 г. Разъем имеет 22 контакта. Внутреннего контроллера у диска нет. Емкость современных SM не превосходит 128 Мбайт, скорость обмена — 512 Кбайт/с.

xD-Picture — усовершенствованный вариант SM, размер карты — 25×20×1,7 мм, масса — 2 г, емкость — 256 Мбайт. В ближайшее время ожидаются карты компании «Fuji Photo Film» емкостью 512 Мбайт, в дальнейшем прогнозируются и до 8 Гбайт. Скорость передачи — до 3 Мбайт/с.

MultiMedia Card (ММС) — флэш-карта, которая была представлена фирмами «SanDisk» и «Siemens» в конце 1997 г. Емкость карт — до 256 Мбайт, размер — 32×24×1,4 мм, масса — 2 г. Скорость чтения данных — до 2 Мбайт/с, записи — до 512 Кбайт/с.

Secure Digital Card (SD) — улучшенный вариант карт ММС, предложенный в 1999 г. компанией «Matsushita Electric Industrial Со Ltd» (торговая марка «Panasonic»). Это один из самых перспективных форматов хранения информации во флэш-памяти. Размер карт — 32×24×2,1 мм, масса — около 2 г, емкость современных SD варьируется от 32 до 1024 Мбайт, скорость обмена — 6 Мбайт/с. Карта оборудована 9-контактным разъемом, имеется возможность защиты от НСД по паролю и переключатель для защиты от случайной записи или стирания. Карты SM, ММС, SD первоначально разрабатывались для использования в цифровых фотои видеокамерах. Сейчас для них выпускаются дисководы для подключения к компьютерам. Например, компания «TDK Marketing» представила миниатюрные считыватели серии Media Reader с интерфейсом.

USB2 для флэш-карт форматов SD, ММС, CF и IBM Microdrive (питание через шину USB).

Miniature Card (ViniCard) нашли применение в органайзерах и сотовых телефонах. Их емкость всего 64 Мбайт, размеры — 33? 32? 2,8 мм.

Memory Stick (появились в 1998 г., емкость до 256 Мбайт, размеры — 50? 21,5? 2,8 мм) применяются в основном в цифровых видеокамерах. Однако фирма «Sony» рекламирует их в качестве универсальных устройств памяти и оснащает ими многие свои изделия, в частности портативные, в том числе и карманные, ПК.

• [1] Первоначально флэш-память применялась в военных приборах, при обнаружении попыток несанкционированного доступа к ним необходимо было сразу уничтожать все данные. Поэтому система автоматически генерировала внутренний сигнал стирания.