Интерфейсы и конструктивы твердотельных носителей информации

 

Твердотельные устройства хранения используются в миниатюрных компьютерах, а также компьютеризированных цифровых устройствах бытовой электроники — фотокамерах, плейерах, приемниках глобальной системы позиционирования (GPS), музыкальных инструментах и прочих. В большинстве своем эти устройства основаны на микросхемах флэш-памяти, в наиболее современных используется память со структурой NAND (см. п. 7.3.2). Этому типу флэш-памяти присуще быстрое чтение, запись и стирание небольших блоков (256 или 512 байт), что удобно для записи файлов. Правда, для этой памяти характерны довольно медленное чтение произвольного байта и отсутствие возможности побайтной записи, но приложениям этих карт такая возможность и не требуется, поскольку они ориентированы на блочный обмен. Устройства на флэш-памяти являются энергонезависимыми (в режиме хранения не требуют питания), экономичными в плане потребления, особенно при чтении, достаточно производительными, но, увы, недешевыми. Запись на эти носители специфична: быстрее всего она выполняется в чистый (стертый) блок (сектор диска), а перезапись требует относительно длительного стирания. Кроме того, флэш-память имеет хоть и большое (порядка 10⁵), но ограниченное число циклов стирания-записи — как ни странно, у носителей с подвижным носителем с этим ограничением не сталкиваются. Устройства хранения обычно представляют комбинацию собственно микросхем памяти и микроконтроллера, обеспечивающего внешние интерфейсные функции. Этим они отличаются от карт памяти с линейным доступом, например Miniature Card, на которых располагаются только микросхемы памяти (встроенный контроллер не требуется).

Есть и другие твердотельные хранители — например, ферроэлектрическая память (FRAM), но пока что массового применения они не имеют. Менее чем за десятилетие устройства хранения на флэш-памяти прошли большой путь от электронных «дисков» («винчестеров») размером в 3" до современных, размером с почтовую марку. Интерфейсы твердотельных устройств хранения — карт внешней памяти — тесно связаны с их конструктивами; основные характеристики наиболее распространенных карт приведены в табл. 9.12.

 

Таблица 9.12. Основные характеристики карт внешней памяти

 

	CompactFlash	SmartMedia Card	MultiMedia Card	Sequre Digital	Miniature Card
Длина	36,0	45,0	32,0	32,0	33,0
Ширина	43,0	37,0	24,0	24,0	38,0
Высота	3,3/5,0	0,76	1,4	2,1	3,5
Коннектор	Штырьковый	Печатный	Печатный	Печатный	Эластомер
Число контактов

Вышеперечисленные карты можно подключать и к обычным компьютерам. Для этого существуют различные адаптеры: для слотов PC Card (к блокнотным ПК), для шины USB (для самых разных ПК) и для других внешних интерфейсов. С помощью этих адаптеров компьютер «видит» подключенную карту как обычный сменный носитель информации (диск). Конечно, компьютеры общего назначения в такой внешней памяти не нуждаются — своя и больше, и дешевле. Главная цель подключения карты к ПК — быстрая передача прикладных данных бытового устройства (фотографий, музыки и т. п.) или перенос (хранения) информации (вместо дискет).

В качестве интерфейса твердотельных устройств хранения может использоваться и самый обычный вариант ATА. Существуют устройства DOM (Disk On Module) — небольшие модули, которые вставляются в обычный 40-контактный разъем ATA, имеющийся на любой современной системной плате. Правда, этот «винчестер» не блещет выдающимися параметрами: объем — 4-256 Мбайт, средняя скорость передачи данных — 1,6 Мбайт/с, удельная стоимость хранения — около $1,5 за мегабайт. Внутри модуля находится флэш-память структуры NAND с контроллером, эмулирующим систему команд ATA. Основное применение этих модулей — хранение ПО встраиваемых компьютеров, но можно ими пользоваться и как сменными устройствами хранения.

 

CompactFlash

 

Карты CompactFlash (рис. 9.7), поддерживаемые ассоциацией CFA (Compact Flash association), широко используются в различных электронных приборах: цифровых фотокамерах, фотопринтерах, MP3-плейерах, цифровых диктофонах, персональных коммуникаторах и, конечно же, компьютерах — настольных, карманных, автомобильных. Карты имеют размер 42,8×36,4×3,3 мм (4 мм с учетом выступа) и 50-контактный разъем (розетка на карте, двухрядный штырьковый разъем с шагом 1,27 мм на слоте). Назначение контактов приведено в табл. 9.13. Через переходник с 50 на 68-контактный разъем карты могут устанавливаться в слот PC Card Type II или III, имеющийся практически во всех блокнотных ПК. Объем памяти выпускаемых в настоящее время карт — от 4 Мбайт до 1 Гбайт, напряжение питания — 5 или 3,3 В. Карты могут работать в одном из трех режимов: карт памяти (Mem), карт ввода-вывода PC Card (I/O), «чистого» режима 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 (см. п. 9.2.1), правда, обмен данными возможен только в режиме PIO. Режим IDE выбирается заземлением на стороне хоста сигнала ATA_SEL#. При этом из шины адреса используются только А[2:0] (остальные заземлены хостом); шина данных при обращениях к регистрам ATA имеет разрядность 8 бит, а при передаче данных — 16. Сигналы CS0# и CS1# используются для выбора блока командных и управляющих регистров соответственно. Сигналы PDIAG#, DASP#, CSEL#, RESET# и IORDY соответствуют спецификации ATA. Сигналом CSEL# выбирается роль карты: при заземленном контакте — устройство 0 (master), при разомкнутом — устройство 1 (slave); можно воспользоваться и «кабельной выборкой». Сигналы REG# и WE# должны подключаться к шине питания (V_cc). Сигналы CD1# и CD2# являются индикаторами установки карты (их контакты замыкаются последними, на карте они заземлены). В табл. 9.14 описан чисто пассивный переходник, позволяющий подключить карту Compact Flash к обычному порту ATA (IDE), имеющемуся на любой современной системной плате.

 

Рис. 9.7. Карты CompactFlash

 

Таблица 9.13. Назначение контактов карт CompactFlash

 

№	Mem	I/O	IDE	№	Mem	I/O	IDE
	GND	GND	GND		CD1#	CD1#	CD1#
	D03	D03	D03		D11	D11	D11
	D04	D04	D04		D12	D12	D12
	DOS	DOS	DOS		D13	D13	D13
	D06	D06	D06		D14	D14	D14
	D07	D07	D07		D15	D15	D15
	CE1#	CE1#	CS0#		CE2#	CE2#	CS1#
	A10	A10	A10		VS1#	VS1#	VS1#
	OE#	OE#	ATA_SEL#		IORD#	IORD#	IORD#
	A09	A09	A09		IOWR#	IOWR#	IOWR#
	A08	A08	A08		WE#	WE#	WE#
	A07	A07	A07		RDY/BSY	IREQ	INTRQ
13.	VCC	VCC	VCC		VCC	VCC	VCC
	A06	A06	A06		CSEL#	CSEL#	CSEL#
	A05	A05	A05		VS2#	VS2#	VS2#
	A04	A04	A04		RESET	RESET	RESET#
	A03	A03	A03		WAIT#	WAIT#	IORDY
	A02	A02	A02		INPACK#	INPACK#	INPACK#
	A01	A01	A01		REG#	REG#	REG#
	A00	A00	A00		BVD2	SPKR#	DASP#
	D00	D00	D00		BVD1	STSCHG#	PDIAG#
	D01	D01	D01		D08	DOS	DOS
	D02	D02	D02		D09	D09	D09
	WP	IOIS16#	IOCS16#		D10	D10	D10
	CD2#	CD2#	CD2#		GND	GND	GND

 

Таблица 9.14. Переходник CompactFlash Card — ATA

 

ATA, конт. №	Цепь	CFC, конт. №	CFC, конт. №	Цепь	ATA, конт. №
	GND			CD1#	-
	D03			D11
	D04			D12
	D05			D13
	D06			D14
	D07			D15
	CS0#			CS1#
GND¹	A10			VS1#	-
GND¹	ATA_SEL#			IORD#
GND¹	A09			IOWR#
GND¹	A08			WE#	+5V²
GND¹	A07			INTRQ
+5V²	VCC			VCC	+5V²
GND¹	A06			CSEL#	28³
GND¹	А05			VS2#	-
GND¹	А04			RESET#
GND¹	A03			IORDY
	А02			INPACK#	-
	А01			REG#	+5V²
	A00			DASP#
	D00			PDIAG#
	D01			D08
	D02			D09
	IOCS16#			D10
-	CD2#			GND	GND¹

¹ С шиной GND должны быть соединены контакты 2, 19, 22, 24, 26, 30 и 40 разъема ATA, а также контакт разъема питания.

² Питание +5V на переходник подается от дополнительного разъема.

³ Возможно подключение не к разъему ATA, а к шине GND через джампер: замкнут — ведущее устройство, разомкнут — ведомое.

 

SmartMedia Card

 

Карты SmartMedia Card, поддерживаемые ассоциацией PCMCIA, предназначены примерно для того же круга приложений, что и CompactFlash. Они совсем тонкие, имеют менее «нежный» печатный разъем с малым числом контактов (всего 22) и не боятся не только повышенной влажности, но и воды. Карты основаны на микросхемах флэш-памяти с организацией запоминающих ячеек NAND. Средняя скорость передачи данных — 2 Мбайт/с, пиковая — до 10. Вид карт приведен на рис. 9.8, назначение контактов — в табл. 9.15. Карты на 5 В выпускаются объемом 16 и 32 Мбит (2 и 4 Мбайт). Карты на 3,3 В выпускаются объемом 16, 32 или 64 Мбит (2, 4, 8 Мбайт); у них контакт 17 соединен с V_cc. Для карт SmartMedia выпускают простые переходные адаптеры на слот PC Card Type II. Появились даже устройства FlashPath™ для считывания этих карт в обычном дисководе(!) 1,44 Мбайт.

 

Рис. 9.8. Карты SmartMedia: а — питание 5 В, б — питание 3,3 В

 

Таблица 9.15. Назначение контактов SmartMedia Card

 

№	Цепь	№	Цепь
	VCC (5 B)		VSS
	СЕ#		CLE
	RE#		ALE
	R/B		WE#
	GND		WP#
	Power Detect		I/O1
	I/O8		I/O2
	I/O7		I/O3
	I/O6		I/O4
	I/O5		VSS
	VCC		VSS