Твердотельные устройства хранения. Структура flash – памяти.

Твердотельные устройства хранения данных (SSS) — это средства хранения

данных с применением интегральных микросхем (без движущихся магнитных или

оптических носителей). Твердотельные устройства хранения данных обычно являются

энергонезависимыми. Существуют различные формы таких устройств, например,

твердотельные накопители, твердотельные карты памяти или твердотельные модули.

Кроме того, твердотельные устройства хранения данных выпускаются с интерфейсами

PATA (старый интерфейс), SATA, SAS, Fibre Channel и PCIe. (Главный недостаток это их стоимость).

 

Большинство накопителей выполнено в форм факторе 2,5 дюйма и возможно исполнение в форм факторе 3,5 дюйма для настольных систем.

 

Главным преимуществами SSD дисков является:

Отсутствие механических деталей.

Низкое энергопотребление.

Малое время доступа к информации (0,1 – 0,2мс по сравнению с HDD – время доступа 7-8мс).

Скорость чтения SSD дисков превосходит в двое HDD, а скорость записи примерно одинакова.

В целях повышения времени наработки на отказ в SSD дисках реализован алгоритм записи препятствующий быстрому износу ячеек памяти. Суть этого алгоритма:

В обычных условиях при последовательной записи, перезаписи информации на диск ячейки памяти задействуются не равномерно, чтобы предотвратить больший износ одних ячеек по сравнению с другими в SSD дисках реализуется алгоритм записи позволяющий равномерно задействовать все ячейки памяти.

При этом существует такая проблема как потеря производительности связанная с частой перезаписью блоков.

 

Флэш память применяемая в современных SSD дисках состоит из ячеек которые содержат 4кб данных объединенных в блоки по 512кб. Когда ячейка не используется запись в нее производится быстро, но если ячейка уже содержит какую либо информацию, причем не важно сколько места она занимает, необходимо переадресовывать весь блок. Это означает сначала нужно прочитать содержащуюся в блоке информацию, затем скомбинировать ее или заменить новыми данными и только потом перезаписать блок.

Таким образом в блоках при частой перезаписи скапливается не нужный мусор, а это приводит к падению производительности диска, по скольку приходится постоянно использовать функцию перезаписи ячеек.

Для решения этой проблемы применяют процедуру прошивки диска в результате чего происходит автоматическое удаление не используемой информации.

 

Ячейка традиционной флэш-памяти представляет собой транзистор с двумя изолированными затворами: управляющим и "плавающим". Важная особенность последнего - способность удерживать электроны, т. е. заряд. Кроме того, в ячейке имеются электроды, называемые "сток" и "исток". При программировании между ними, за счет воздействия положительного поля на управляющем затворе, создается канал - поток электронов. Некоторые из электронов благодаря наличию большей энергии преодолевают слой изолятора и попадают на плавающий затвор. На нем они могут храниться в течение нескольких лет. Определенный диапазон количества электронов (заряда) на плавающем затворе соответствует логической единице, а все, что больше его, - нулю. При чтении эти состояния распознаются путем измерения порогового напряжения транзистора. Для стирания информации на управляющий затвор подается высокое отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора переходят (туннелируют) на исток. В технологиях различных производителей этот принцип работы может отличаться по способу подачи тока и чтения данных из ячейки.

 

32. Твердотельные устройства хранения. Архитектура flash – памяти. Flash – карты памяти и устройство чтения.

 

Архитектура - это схема соединения ячеек памяти в единый модуль. Существует несколько вариантов архитектуры flash-памяти, и эти варианты обладают рядом особенностей, определяющих сферу их применения. В настоящее время наиболее распространенными являются микросхемы flash-памяти с организацией NOR (логическая схема ИЛИ-НЕ) и NAND (логическая схема И-НЕ). Каждая ячейка в микросхеме NOR (NOT OR, ИЛИ-НЕ) подключена к двум линиям - битов и слов. Суть логической операции заключается в переходе линии битов в состояние лог. О, если хотя бы один из транзисторов, подсоединенных к ней, включен (проводит ток). Выбор ячейки осуществляется с помощью линии слов. Все ячейки памяти NOR подключены к своим битовым линиям параллельно. Архитектура допускает произведение произвольного чтения и записи. Структура функционирует на двух разных напряжениях. К преимуществам можно отнести быстрый произвольный доступ, т. е. возможность записи побайтово. Однако процесс записи и стирания происходит относительно медленно. Оптимальная область применения - хранение кода программ (например, операционная система сотового телефона). Программирование микросхемы осуществляется методом инжекции «горячих» электронов, а стирание - туннеллированием. Данный тип памяти производится практически всеми известными производителями микросхем. В случае NAND (NOT AND, И-НЕ) битовая линия переходит в состояние лог. О, если все подключенные к ней транзисторы проводят ток. Данный тип организации архитектуры памяти обладает возможностью произвольного доступа, производимого небольшими блоками. Процесс в определенной степени аналогичен кластерному принципу работы традиционных жестких дисков. Архитектура построена на последовательном и нтерфейсе - ячейки подсоединяются к битовой линии сериями («гирляндами»). Программирование и стирание микросхемы осуществляются туннеллированием. Эти особенности позволяют быстро проводить запись и стирание, однако делают невозможной побайтовую запись и ограничивают скорость произвольного доступа (так как уменьшается ток каждой ячейки). Применение таких модулей памяти целесообразно в задачах, ориентированных на блочный обмен данными, как, например, в цифровых камерах.

Flash-карты

Как уже было сказано выше, сменные flash-карты памяти являются основными носителями информации для современной портативной техники. Однако универсального носителя пока нет. У каждого производителя цифровой техники есть свои предпочтения, и в итоге на рынке присутствуют шесть основных типов flash-памяти: CompactFlash Card, SmartMedia Card, MultiMedia Card, SecureDigital Card, MemoryStick Card, xD-Picture Card, а также носитель IBM Microdrive, flash-памятью не являющийся. Кроме внешнего вида, у этих сменных карт памяти, безусловно, есть ряд принципиальных отличий по скорости записи/чтения, максимальной емкости и энергопотреблению (что немаловажно для портативной техники, работающей от автономных источников питания). Конструктивно карты памяти можно классифицировать по наличию контроллера и типу интерфейса обмена данными. Так как эти параметры являются определяющими, уделим им некоторое внимание.

 

Специализированные устройства чтения/записи служат для работы с flash-носителями и существенно расширяют возможности использования этих карт памяти, в том числе по скорости обмена данными с компьютером. Обычно устройство имеет несколько слотов (разъемов), каждый из которых предназначен для определенного типа карт памяти (CompactFlash, SmartMedia, и т. д.) и может быть внешним или встраиваемым в корпус компьютера (в том числе и ноутбука). На сегодняшний день разработаны несколько разновидностей устройств чтения с интерфейсами USB 1.x - 2.0, Fire Wire, LPT и SCSI. Существуют PCMCIA-адаптеры для всех типов flash-карт, а также CompactFlash-адаптеры для SD/MMC и xD. Выпускаются устройства чтения карт, встроенные в компьютерную мышь. Встречаются устройства чтения с собственной встроенной flash-памятью (обычно небольшого объема, чтобы серьезно не влиять на цену). Устройства чтения бывают как для одного вида карт памяти, так и для нескольких (два и более), нередко для всех двенадцати популярных видов и подвидов (рис. 32). Часто для чтения карт xD-picture используется переходник SmartMedia-xD, выполненный в виде карты SmartMedia со специальным разъемом для xD-picture (что лишний раз говорит об их принципиальном сходстве).

Однозначно самыми распространенными являются устройства чтения с интерфейсом USB (Universal Serial Bus - универсальный последовательный интерфейс). Этим интерфейсом оборудованы как внешние, так и встраиваемые в 3,5" разъем корпуса компьютера устройства (рис. 33). Отличие заключается лишь в том, что встраиваемые устройства обычно подключаются к USB-порту непосредственно на материнской плате.

Так как возможности интерфейса наравне с возможностями самой карты памяти принципиально определяют скорость передачи данных, рассмотрим существующие спецификации USB.