Флеш-память. Принципы работы

Разработчики  формата Compact Flash поставили цель: сохранить  все преимущества карт ATA Flash, преодолев  их основной недостаток - большие размеры. Конструкция карт CompactFlash обеспечивает эмуляцию жёсткого диска с АТА  интерфейсом. Разъёмы Compact Flash расположены  на торце карты, электрически и функционально  повторяя назначение контактов PCMCIA. Таким  образом, чтобы установить CompactFlash в  слот PCMCIA достаточно простейшего адаптера CF-PCMCIA, повторяющего своими размерами  обычную PC-Card.

Карты бывают двух типов: I и II (первого и второго  типа). Карты типа II толще карт типа I на 2 мм, других существенных отличий  между этими картами нет. CF I можно  использовать в устройствах, снабженных разъемами CF II и CF I. CF II можно использовать только в устройствах с разъемами CF II (т.е. CF II типа обратно совместим  с CF I типа).

Карты Compact Flash поддерживают два напряжения: 3.3В и 5В. Максимальная емкость карт типа I составляет 256 Мбайт (у компаний PQI и Delkin), а карт типа II - 512 Мбайт (у фирмы SiliconTech).

Для работы с CF-картой на настольном компьютере нужен адаптер, подключаемый к параллельному порту (имеются также версии для USB) стоимостью около 60 долл., а если у вас уже есть ноутбук - адаптер c CompactFlash на PC Card (8 долл.).

В ближайшее  время будут приняты дополнения, позволяющие CF работать в режиме DMA, а в 2004 году - Ultra DMA 33, что позволит работать картам CompactFlash с быстродействием  до 33 MB/s. Сегодня теоретический предел емкости для CF составляет 137 GB.

3. 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 используются  для питания микросхемы, управления  и несут на себе другие вспомогательные  функции. Толщина карты всего  лишь 0,76мм.

SmartMedia - единственный  формат флэш-карт (из тех, которые  мы здесь рассматриваем), не имеющий  встроенного контроллера. Карты  SmartMedia бывают как на одном,  так и на двух чипах NAND. Существует  две разновидности SmartMedia: 5-и и  3-х вольтовые (внешне отличаются  маркировкой и тем, с какой  стороны у карты 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 соответствующей  формы токопроводящий стикер, то  карта будет защищена от записи.

По сравнению  с другими картами флэш-памяти, в которых используется полупроводниковая  память, размещённая на печатной плате  вместе с контроллером и другими  компонентами, SmartMedia устроена очень  просто. Карта собирается без пайки  и, кроме микросхемы NAND-памяти, не содержит в себе никакой другой микроэлектроники.

Для работы с  картами SmartMedia на настольном компьютере можно приобрести флоппи-диск-адаптер (около 70 долл. в США), после чего считывать  с них информацию на обычном НГМД. Если вы являетесь счастливым обладателем  ноутбука с PC Card-слотом, вам будет  удобнее купить переходник со SmartMedia на PC Card (стоимостью около 60 долл.). Имеются  также адаптеры, рассчитанные на параллельный порт или шину USB.

Замечания по SmartMedia: карточки этого форм-фактора действительно очень лёгкие и тонкие. Сегодня SmartMedia находится приблизительно в одном ценовом диапазоне с CompactFlash (и SmartMedia и CF сегодня приблизительно в 2 раза дешевле MMC, SD и MS соответствующего объёма). Однако SmartMedia сильно проигрывает CF в надёжности, кроме того, максимальный объем карточки SmartMedia сегодня составляет 128MB, а CompactFlash (и I, и II типа) уже достигли ёмкости 1Гб.

Самая главная  проблема, возникающая при использовании  карт SmartMedia сегодня - отсутствие устоявшегося формата. В результате многие производители  используют свой формат хранения данных, что иногда влечет за собой проблемы совместимости (отформатированная  в одном устройстве карта может  не восприниматься другими).

4. MMC (MultiMedia Card)

Интерфейс: последовательный, 7-ми контактный. Разработана в 1997 году компаниями Hitachi, SanDisk и Siemens Semiconductors (Infineon Technologies).

Карты MMC содержат 7 контактов, реально из которых используется 6, а седьмой формально считается  зарезервированным на будущее. По стандарту MMC способна работать на частотах до 20МГц. Карточка состоит из пластиковой  оболочки и печатной платы, на которой  расположена микросхема памяти, микроконтроллер  и разведены контакты.

Назначение  контактов MMC:

1 контакт на  передачу данных (в SPI - Data out)

1 контакт на  передачу команд (в SPI - Data in)

1 часы

3 на питание  (2 земли и 1 питание)

1 зарезервирован (в SPI режиме - chip select)

По протоколу MMC данные и команды могут передаваться одновременно. MultiMedia Card работает с напряжением 2.0В - 3.6В, однако спецификацией предусматриваются  карты с пониженным энергопотреблением - Low Voltage MMC (напряжение 1.6В - 3.6В). Карты MMC могут работать в двух режимах: MMC и SPI (Serial Peripheral Interface). Режим SPI является частью протокола MMC и используется для коммуникации с каналом SPI, который  обычно используется в микроконтроллерах Motorola и других производителей. Стандарт SPI определяет только разводку, а не весь протокол передачи данных. По этой причине в MMC SPI используется подмножество команд протокола MMC. Режим SPI предназначен для использования в устройствах, которые используют небольшое количество карт памяти (обычно одну). С точки  зрения приложения преимущество использования  режима SPI состоит в возможности  использования уже готовых решений, уменьшая затраты на разработку до минимума. Недостаток состоит в потере производительности на SPI системах, по сравнению с MMC. Кроме описанного нами обычного MMC, существуют еще несколько  стандартов карт MMC, такие как: RS-MMC, HS-MMC, CP-SMMC, PIN-SMMC. Размеры карт RS-MMC - 24 x 18 x 1.4 мм, вес 0,8 г. HS -MMC – высокоскоростная (High Speed) MMC-карта у которой не 7, а 13 контактов. Размеры карты как  у обычной MMC. В режиме x8 (52Mhz) скорость передачи данных в теории может достигнуть 52MBps.

5. 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, однако  спецификацией предусматриваются  SDLV-карты (SD Low Voltage) с пониженным  энергопотреблением (напряжение 1,6В  - 3,6В), кроме того, спецификацией  предусмотрены карты толщиной 1,4мм (как у MMC), без переключателя  защиты от записи. Фактически  карточки SD являются дальнейшим  развитием стандарта MMC. Флэш-карты  SD обратно совместимы с MMC (в  устройство с разъемом SD можно  вставить MMC, но не наоборот).

Основные отличия  от MMC:

– по сравнению  с MMC, в SD на 2 контакта больше. Оба новых  контакта используются как дополнительные линии передачи данных, а тот контакт, который в MMC был декларирован как  зарезервированный, в SD используется для  передачи данных. Таким образом, по сравнению с MMC, где данные передаются по одному-единственному контакту, в SD данные могут передаваться по 4-м  контактам одновременно (число линий, по которым передаются данные, может  быть равно 1, 2 и 4, причём количество используемых линий можно динамически изменять). Эта особенность переводит карту  из разряда карт с чисто последовательным интерфейсом в разряд карт с последовательно-параллельным интерфейсом;

– в отличие  от MMC, SD изначально соответствует соглашениям SDMI (т.е. карты SD содержат т.н. механизм защиты авторских прав). Скорее всего, именно по этой причине карты и  получили свое название: SD-Card - SecureDigital Card;

– на карточке присутствует переключатель защиты от записи - write protection switch (как на дискетах);

– MMC по спецификации работает на частотах до 20МГц, SD на частотах до 25МГц;

– в режиме SPI карты SD работают по протоколу SD-Card, а  не по протоколу MMC;

– добавлен один дополнительный внутренний регистр, часть  остальных несколько отличаются от аналогичных в MMC;

– обычно карточка несколько толще и тяжелее MMC;

– за счёт более  толстой пластиковой оболочки, улучшена стойкость карты к статическим  разрядам (ESD Tolerance).

6. Sony Memory Stick

Интерфейс: последовательный, 10-ти контактный. Разработана в 1998 году компанией Sony.

Особенных технических  инноваций в MemoryStick не заметно, разве  что переключатель защиты от записи (Write Protection Switch) выполнен действительно  грамотно, да контакты хорошо упрятали. До недавнего времени голубые "палочки  памяти" использовалась исключительно  в цифровой фото-, аудио- и видео- технике фирмы Sony. В настоящее  время Sony активно продвигает свой формат, и лицензирует технологию другим производителям. На питание у MemoryStick отведено 4 из 10 контактов, еще 2 контакта зарезервированы, один контакт используется для передачи данных и команд, один для синхронизации, один для сигнализации состояния шины (может находится  в 4-х состояниях), а один для определения  того, вставлена карта, или нет. Карта  работает в полудуплексном режиме. Максимальная частота, на которой может  работать карта - 20МГц. Зарезервированные  контакты (по непроверенным данным) используются в устройствах на базе интерфейса MemoryStick (фотокамерах для Clie [PEGA-MSB1], модулей GPS [PEGA-MSC1]и bluetooth [PEGA-MSG1]). Существует разновидность Memory Stick - Memory Stick Magic Gate (сокращенно MG). От обычного Memory Stick, MG отличается лишь цветом (цвет карточки - белый) и поддержкой механизма ”защиты авторских прав”. Пытаясь угнаться за малым весом и размерами конкурирующих форматов (SD/MMC), в 2000 году Sony разработала ещё один формат - Memory Stick Duo. От обычного MemoryStick, Duo отличается меньшими размерами и весом. При использовании MemoryStick Duo в устройствах, предназначенных для обычных MemoryStick, требуется специальный адаптер. Также существует модификация этого формата флэш-памяти - Memory Stick Duo MG. Карточки Duo появились в продаже с июля 2002 года. На январской выставке Consumer Electronics Show 2003 была представлена карта MemoryStick Pro, разработанная Sony совместно с SanDisk. Новая модификация карт Sony имеет те же размеры и такое же количество контактов, как и у обычных MemoryStick. Однако карта не совместима со старыми MemoryStick (в разъеме, предназначенном для обычных MemoryStick, карточка MemoryStick Pro работать не будет, однако обратная поддержка реализована – в разъеме для карточек Pro, обычный MemoryStick читается). Технически карточки Pro отличаются от обычных MemoryStick тем, что работают на более высокой частоте (40MHz), а данные передаются по четырем линиям, вместо одной. Кроме того, все карточки Pro “в нагрузку” поддерживают MagicGate. Пропускная способность интерфейса 160Mbps, или 20MB/s (4 линии x 40 MHz), однако с таким быстродействием карточка долго работать не может – на такой скорости способен работать только внутренний кэш, а по его заполнении карточка будет работать с пропускной способностью 15mbps. Совсем недавно, 15-го августа 2003 года появилась еще одна(!) модификации MemoryStick Pro Duo.

Замечания по MemoryStick

Сама Sony, как  известно, флэш-памяти не производит, а  имя поставщика микросхем памяти для MemoryStick держит в секрете. Однако известно, что в настоящее время Sony планирует переход с NAND на AND память, а, возможно, уже и перешла.

В процессе поиска информации по флэш-картам выясняются интересные детали: найти в открытых источниках информацию о ударопрочности MemoryStick вам не удастся. Если вы попробуете копнуть глубже, то узнаете, что данная информация доступна только компаниям, лицензировавшим технологию у Sony. В  общедоступных спецификациях других форматов флэш-карт данная информация доступна любому интересующемуся. Это  наводит на мысль, что механическая надёжность MemoryStick оставляет желать лучшего.

Интересно и  то, что доступная ныне скудная  информация по MemoryStick год назад была ещё меньше. Всё, что было известно: вес, физические размеры, количество контактов, противоречивая информация о теоретическом  быстродействии карты и не менее  противоречивая информация о температуре, при которой карточка способна работать (сейчас, правда, она так и осталась противоречивой, но диапазон температур в спецификациях MemoryStick чудесным образом  подрос на 20 градусов).

 

  

4. Другие  форм-факторы флэш-памяти

Кроме вышеперечисленных  форм-факторов флэш-памяти, флэш так  же бывает в виде модулей SIMM и DIMM. Такие  модули часто используются в факсимильных аппаратах, принтерах, и т.п. Часто  можно встретить флэш-память в  виде устройств, заменяющих обычные  жёсткие диски (Disk On Module (DOM-накопители). Такие накопители имеют стандартный  интерфейс IDE и используются в устройствах, работающих в экстремальных условиях (повышенная тряска, пыль и т.п.) –  там, где обычные жесткие диски, по тем, или иным причинам применять  не желательно.

Для переноса данных удобно использовать накопители с интерфейсом USB. Примером такого портативного накопителя является USB JetFlash от Transcend.

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 приходится таскать с  собой вместе с брелком и драйвер  на CD, однако постепенно проблем с  драйверами становится меньше.

1. USB Flash-Disk (USB-дискета)

Основные характеристики:

Емкость устройства - от 16 до 256 Мбайт.

Системные требования: MS Windows или Mac OS, порт USB 1.1 (или выше).

Размеры устройства 81 мм х 23 мм х 12,5 мм, вес 16 г.

Windows ME, 2000 и XP автоматически распознают устройство при подключении его в систему, Windows 98 требует установки дополнительных драйверов, поставляемых вместе с устройством.

В EasyDisk отсутствуют какие-либо движущиеся части; в комплекте поставки есть 0,9 м кабель подключения к USB порту, хотя устройство можно подключить к порту и без кабеля.

Интерфейс USB позволяет подключать накопитель к компьютеру в "горячем режиме", что очень удобно и безопасно с точки зрения целостности данных. При использовании ОС WinME, Win2000 и WinXP достаточно просто воткнуть Flash-накопитель в свободный USB-порт при включенном компьютере, и ОС тут же его распознает и создаст логический диск, доступный для всех приложений, включая и для DOS.

Для более старых ОС, например, Win98SE, для работы с USB-диском потребуется компакт-диск с драйверами, имеющийся в комплекте.

Емкость типичного  USB-накопителя составляет 32-128 Мб, что в 20-90 раз больше емкости обычной гибкой дискеты, но в 5-20 раз меньше емкости компакт-диска.

Достоинства: маленькие габариты, вес; хорошая скорость чтения и записи; не требует привода; поддерживается современными операционными системами; не требует никаких дополнительных источников питания; легкость в использовании; надежность.

Недостатки: цена за 1 Mb существенно выше, чем при использовании ZIP, CD или DVD-дисков, хотя следует учесть экономию от отсутствия затрат на приобретение приводов для названных дисков.

На сегодняшний  день USB-накопители выпускается разными фирмами, среди которых китайская фирма Luwen (www.luwen.com.cn), устройства которой называются "EasyDisk".

 

5. Рынок флэш-памяти

В настоящее  время микросхемы флэш-памяти производят более 50 компаний по всему миру. Среди  этих компаний лидирующие позиции в  производстве флэш занимают 11 компаний: AMD, Atmel, Fujitsu, Hitachi, Intel, Mitsubishi, Samsung, Sharp, SST, ST Microelectronics (STM) и Toshiba. Доля этих 11 компаний на рынке флэш-памяти составляет более 90%. Большинство компаний специализируется на выпуске 1-го или 2-го типов микросхем  флэш-памяти.

Около 2/3 рынка  флэш-памяти приходится на NOR, однако доля этого типа памяти стремительно сокращается  в основном за счет быстрого роста  доли NAND-памяти. В 2002 году на долю NAND-флэш приходилось около 30%.

Производители	Архитектура микросхем флэш-памяти
AMD	NAND, NOR
Fujitsu	NAND, NOR
Hitachi	AND, DiNOR, NAND - SuperAND или Assist Gate AND
Intel	NOR
Mitsubishi	AND, NOR, DiNOR
Samsung	NAND, NOR
Sharp	NOR
Toshiba	NAND, NOR