Реферат: Архитектура Flash-памяти

Министерство науки и образованияУкраины

Институт социального управления экономики и права

Кафедра специализированных компьютерных систем

Пояснительная записка

ІСУЕП 04254.009

до курсового проекта

с дисциплины: «Архитектура ЭВМ»

на тему:

«Архитектура Flash-памяти»

Проверил: Подготовил:

проф.

Романкевич О.М.

ст.  преп.

Рудаков К.С.

студент III курса

группы КС-14

Крывонижко К.Н.

 _____________                

           (оценка)

«___»________                                                                            «___»________

 _____________                                                                            _____________

           (подпись)                                                                                                                                                                   (подпись)

г. Черкассы 2004

Содержание

/>

1.     Введение… 3-4

2.     Что такое flash-память?....................................................................5-9      

3.     Организация flash-памяти…………………………………………10-14

4.     Архитектурафлэш-памяти………………………………………..14-18

5.     Карты памяти (флэш-карты)………………………………………19-28

6.     Вывод………………………………………………………………..29

7.     Литература..........................................................................................30

                                                       

/>1.Введение

Технология флэш-памяти появилась около 20-ти лет назад. В конце 80-хгодов прошлого столетия флэш-память начали использовать в качестве альтернативыUV-EPROM. С этого момента интерес к флэш-памяти с каждым годом неуклонновозрастает. Внимание, которое уделяется флэш-памяти, вполне объяснимо – ведьэто самый быстрорастущий сегмент полупроводникового рынка. Ежегодно рынокфлэш-памяти растет более чем на 15%, что превышает суммарный рост всейостальной полупроводниковой индустрии.

Сегодня флэш-память можно найти всамых разных цифровых устройствах. Её используют в качестве носителямикропрограмм для микроконтроллеров HDD и CD-ROM, для хранения BIOS в ПК.Флэш-память используют в принтерах, КПК, видеоплатах, роутерах, брандмауэрах,сотовых телефонах, электронных часах, записных книжках, телевизорах,кондиционерах, микроволновых печах и стиральных машинах… список можнопродолжать бесконечно. А в последние годы флэш становится основным типомсменной памяти, используемой в цифровых мультимедийных устройствах, таких какmp3-плееры и игровые приставки. А все это стало возможным благодаря созданиюкомпактных и мощных процессоров. Однако при покупке какого-либо устройства,помещающегося в кармане, не стоит ориентироваться лишь на процессорнуюмощность, поскольку в списке приоритетов она стоит далеко не на первом месте.

Начало этому было положено в 1997 году, когдафлэш-карты впервые стали использовать в цифровых фотокамерах.

При выборепортативных устройств самое важное, на мой взгляд — время автономной работы приразумных массе и размерах элемента питания. Во многом это от памяти, которая определяетобъем сохраненного материала, и, продолжительность работы без подзарядкиаккумуляторов. Возможность хранения информации в карманных устройствахограничивается скромными энергоресурсами Память, обычно используемая в ОЗУкомпьютеров, требует постоянной подачи напряжения. Дисковые накопители могутсохранять информацию и без непрерывной подачи электричества, зато при записи исчитывании данных тратят его за троих. Хорошим выходом оказалась флэш-память,не разряжающаяся самопроизвольно. Носители на ее основе называютсятвердотельными, поскольку не имеют движущихся частей. К сожалению, флэш-память- дорогое удовольствие: средняя стоимость ее мегабайта составляет 2 доллара,что в восемь раз выше, чем у SDRAM, не говоря уж о жестких дисках. А вот отсутствиедвижущихся частей повышает надежность флэш-памяти: стандартные рабочиеперегрузки равняются 15 g, а кратковременные могут достигать 2000 g, т. е.теоретически карта должна превосходно работать при максимально возможныхкосмических перегрузках, и выдержать падения с трёхметровой высоты. Причем втаких условиях гарантируется функционирование карты до 100 лет.

Многие производители вычислительной техники видят памятьбудущего исключительно твердотелой. Следствием этого стало практическиодновременное появление на рынке комплектующих нескольких стандартовфлэш-памяти/>.

2.Чтотакое flash-память?

Флэш-память — особый вид энергонезависимой перезаписываемой полупроводниковой памяти.

—   Энергонезависимая/> - не требующая дополнительной энергии для хранения данных(энергия требуется только для записи).

—   Перезаписываемая — допускающаяизменение (перезапись) хранимых в ней данных.

—   Полупроводниковая (твердотельная) — не содержащая механически движущихся частей (как обычные жёсткие диски или CD),построенная на основе интегральных микросхем (IC-Chip).

В отличие отмногих других типов полупроводниковой памяти, ячейка флэш-памяти не содержитконденсаторов – типичная ячейка флэш-памяти состоит всего-навсего из одноготранзистора особой архитектуры. Ячейка флэш-памяти прекрасно масштабируется,что достигается не только благодаря успехам в миниатюризации размеровтранзисторов, но и благодаря конструктивным находкам, позволяющим в однойячейке флэш-памяти хранить несколько бит информации. Флэш-память историческипроисходит от ROM (Read Only Memory) памяти, и функционирует подобно RAM(Random Access Memory). Данные флэш хранит в ячейках памяти, похожих на ячейкив DRAM. В отличие от DRAM, при отключении питания данные из флэш-памяти непропадают. Замены памяти SRAM и DRAM флэш-памятью не происходит из-за двухособенностей флэш-памяти: флэш работает существенно медленнее и имеетограничение по количеству циклов перезаписи (от 10.000 до 1.000.000 для разныхтипов). Надёжность/долговечность: информация, записанная на флэш-память, можетхраниться очень длительное время (от 20 до 100 лет), и способна выдерживатьзначительные механические нагрузки (в 5-10 раз превышающие предельно допустимыедля обычных жёстких дисков). Основное преимущество флэш-памяти перед жёсткимидисками и носителями CD-ROM состоит в том, что флэш-память потребляетзначительно (примерно в 10-20 и более раз) меньше энергии во время работы. Вустройствах CD-ROM, жёстких дисках, кассетах и других механических носителяхинформации, большая часть энергии уходит на приведение в движение механики этихустройств. Кроме того, флэш-память компактнее большинства других механическихносителей. Флэш-память исторически произошла от полупроводникового ROM, однакоROM-памятью не является, а всего лишь имеет похожую на ROM орг/>анизацию. Множество источников (как отечественных, так изарубежных) зачастую ошибочно относят флэш-память к ROM. Флэш никак не можетбыть ROM хотя бы потому, что ROM (Read Only Memory) переводится как«память только для чтения». Ни о какой возможности перезаписи в ROMречи быть не может!  Небольшая, по началу, неточность не обращала на себявнимания, однако с развитием технологий, когда флэш-память стала выдерживать до1 миллиона циклов перезаписи, и стала использоваться как накопитель общегоназначения, этот недочет в классификации начал бросаться в глаза. Средиполупроводниковой памяти только два типа относятся к «чистому» ROM — это Mask-ROM и PROM. В отличие от них EPROM, EEPROM и Flash относятся к классуэнергонезависимой перезаписываемой памяти (английский эквивалент — nonvolatileread-write memory или NVRWM).

ROM:

/>ROM (Read Only Memory) — память только для чтения. Русский эквивалент — ПЗУ (Постоянно Запоминающее Устройство). Если быть совсем точным, данный вид памяти называется Mask-ROM (Масочные ПЗУ). Память устроена в виде адресуемого массива ячеек (матрицы), каждая ячейка которого может кодировать единицу информации. Данные на ROM записывались во время производства путём нанесения по маске (отсюда и название) алюминиевых соединительных дорожек литографическим способом. Наличие или отсутствие в соответствующем месте такой дорожки кодировало «0» или «1». Mask-ROM отличается сложностью модификации содержимого (только путем изготовления новых микросхем), а также длительностью производственного цикла (4-8 недель). Поэтому, а также в связи с тем, что современное программное обеспечение зачастую имеет много недоработок и часто требует обновления, данный тип памяти не получил широкого распространения.
Преимущества:
1. Низкая стоимость готовой запрограммированной микросхемы (при больших объёмах производства).
2. Высокая скорость доступа к ячейке памяти.
3. Высокая надёжность готовой микросхемы и устойчивость к электромагнитным полям.
Недостатки:
1. Невозможность записывать и модифицировать данные после изготовления.
2. Сложный производственный цикл. />PROM — (Programmable ROM), или однократно Программируемые ПЗУ. В качестве ячеек памяти в данном типе памяти использовались плавкие перемычки. В отличие от Mask-ROM, в PROM появилась возможность кодировать («пережигать») ячейки при наличии специального устройства для записи (программатора). Программирование ячейки в PROM осуществляется разрушением («прожигом») плавкой перемычки путём подачи тока высокого напряжения. Возможность самостоятельной записи информации в них сделало их пригодными для штучного и мелкосерийного производства. PROM практически полностью вышел из употребления в конце 80-х годов.
Преимущества:
1. Высокая надёжность готовой микросхемы и устойчивость к электромагнитным полям.
2. Возможность программировать готовую микросхему, что удобно для штучного и мелкосерийного производства./>
3. Высокая скорость доступа к ячейке памяти.
Недостатки:
1. Невозможность перезаписи
2. Большой процент брака
3. Необходимость специальной длительной термической тренировки, без которой надежность хранения данных была невысокой

/>NVRWM:

/>EPROM
Различные источники по-разному расшифровывают аббревиатуру EPROM — как Erasable Programmable ROM или как Electrically Programmable ROM (стираемые программируемые ПЗУ или электрически программируемые ПЗУ). В EPROM перед записью необходимо произвести стирание (соответственно появилась возможность перезаписывать содержимое памяти). Стирание ячеек EPROM выполняется сразу для всей микросхемы посредством облучения чипа ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами в течение нескольких минут. Микросхемы, стирание которых производится путем засвечивания ультрафиолетом, были разработаны Intel в 1971 году, и носят название UV-EPROM (приставка UV (Ultraviolet) — ультрафиолет). Они содержат окошки из кварцевого стекла, которые по окончании процесса стирания заклеивают.
Достоинство: Возможность перезаписывать содержимое микросхемы
Недостатки:
1. Небольшое количество циклов перезаписи.
2. Невозможность модификации части хранимых данных.
3. Высокая вероятность «недотереть» (что в конечном итоге приведет к сбоям) или передержать микросхему под УФ-светом (т.н. overerase — эффект избыточного удаления, «пережигание»), что может уменьшить срок службы микросхемы и даже привести к её полной негодности. />EEPROM (EEPROM или Electronically EPROM) — электрически стираемые ППЗУ были разработаны в 1979 году в той же Intel. В 1983 году вышел первый 16Кбит образец, изготовленный на основе FLOTOX-транзисторов (Floating Gate Tunnel-OXide — «плавающий» затвор с туннелированием в окисле).

Главной отличительной особенностью EEPROM (в т.ч. Flash) от ранее рассмотренных нами типов энергонезависимой памяти является возможность перепрограммирования при подключении к стандартной системной шине микропроцессорного устройства. В EEPROM появилась возможность производить стирание отдельной ячейки при помощи электрического тока. Для EEPROM стирание каждой ячейки выполняется автоматически при записи в нее новой информации, т.е. можно изменить данные в люб/>ой ячейке, не затрагивая остальные. Процедура стирания обычно существенно длительнее процедуры записи.
Преимущества EEPROM по сравнению с EPROM:
1. Увеличенный ресурс работы.
2. Проще в обращении.
Недостаток: Высокая стоимость />Flash (полное историческое название Flash Erase EEPROM):

Изобретение флэш-памяти зачастую незаслуженно приписывают Intel, называя при этом 1988 год. На самом деле память впервые была разработана компанией Toshiba в 1984 году, и уже на следующий год было начато производство 256Кбит микросхем flash-памяти в промышленных масштабах. В 1988 году Intel разработала собственный вариант флэш-памяти.
Во флэш-памяти используется несколько отличный от EEPROM тип ячейки-транзистора. Технологически флэш-память родственна как EPROM, так и EEPROM. Основное отличие флэш-памяти от EEPROM заключается в том, что стирание содержимого ячеек выполняется либо для всей микросхемы, либо для определённого блока (кластера, кадра или страницы). Обычный размер такого блока составляет 256 или 512 байт, однако в некоторых видах флэш-памяти объём блока может достигать 256КБ. Следует заметить, что существуют микросхемы, позволяющие работать с блоками разных размеров (для оптимизации быстродействия). Стирать можно как блок, так и содержимое всей микросхемы сразу. Таким образом, в общем случае, для того, чтобы изменить один байт, сначала в буфер считывается весь блок, где содержится подлежащий изменению байт, стирается содержимое блока, изменяется значение байта в буфере, после чего производится запись измененного в буфере блока. Такая схема существенно снижает скорость записи небольших объёмов данных в произвольные области памяти, однако значительно увеличивает быстродействие при последовательной записи данных большими порциями.
Преимущества флэш-памяти по сравнению с EEPROM:
1. Более высокая скорость записи при последовательном доступе за счёт того, что стирание информации во флэш производится блоками.
2. Себестоимость производства флэш-памяти ниже за счёт более простой организации.
Недостаток: Медленная запись в произвольные участки памяти. />
3.Организация fl/>ash-памяти

/>Ячейкифлэш-памяти бывают как на одном, так и на двух транзисторах.

В простейшем случае каждая ячейка хранит один бит информациии состоит из одного полевого транзистора со специальной электрическиизолированной областью («плавающим» затвором — floating gate),способной хранить заряд многие годы. Наличие или отсутствие заряда кодируетодин бит информации.

При записи заряд помещается на плавающий затвор одним из двухспособов (зависит от типа ячейки): методом инжекции «горячих»электронов или методом туннелирования электронов. Стирание содержимого ячейки(снятие заряда с «плавающего» затвора) производится методомтунеллирования.

Как правило, наличие заряда на транзисторе понимается каклогический «0», а его отсутствие — как логическая «1».Современная флэш-память обычно изготавливается по 0,13- и 0,18-микронномутехпроцессу.

Общий принцип работы ячейки флэш-памяти.

Рассмотрим простейшую ячейку флэш-памяти на одном n-p-nтранзисторе. Ячейки подобного типа чаще всего применялись во flash-памяти с NORархитектурой, а также в микросхемах EPROM. Поведение транзистора зависит отколичества электронов на «плавающем» затворе. «Плавающий»затвор играет ту же роль, что и конденсатор в DRAM, т. е. хранитзапрограммированное значение. Помещение заряда на «плавающий» затворв такой ячейке производится методом инжекции «горячих» электронов(CHE — channel hot electrons), а снятие заряда осуществляется методомквантомеханического туннелирования Фаулера-Нордхейма (Fowler-Nordheim [FN]).

/>/>

При чтении, в отсутствие заряда на «плавающем» затворе, под воздействием положительного поля на управляющем затворе, образуется n-канал в подложке между истоком и стоком, и возникает ток.

/>/>

Наличие заряда на «плавающем» затворе меняет вольт-амперные характеристики транзистора таким образом, что при обычном для чтения напряжении канал не появляется, и тока между истоком и стоком не возникает.

/>/>

При программировании на сток и управляющий затвор подаётся высокое напряжение (причём на управляющий затвор напряжение подаётся приблизительно в два раза выше). «Горячие» электроны из канала инжектируются на плавающий затвор и изменяют вольт-амперные характеристики транзистора. Такие электроны называют «горячими» за то, что обладают высокой энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, создаваемого тонкой плёнкой диэлектрика.

/>/>

При стирании высокое напряжение подаётся на исток. На управляющий затвор (опционально) подаётся высокое отрицательное напряжение. Электроны туннелируют на исток.

/>Эффект туннелирования — один из эффектов, использующихволновые свойства электрона. Сам эффект заключается в преодолении электрономпотенциального барьера малой «толщины». Для наглядности представимсебе структуру, состоящую из двух проводящих областей, разделенных тонким слоемдиэлектрика (обеднённая область). Преодолеть этот слой обычным способомэлектрон не может — не хватает энергии. Но при создании определённых условий(соответствующее напряжение и т.п.) электрон проскакивает слой диэлектрика(туннелирует сквозь него), создавая ток.

Важноотметить, что при туннелировании электрон оказывается «по другуюсторону», не проходя через диэлектрик. Такая вот «телепортация».

Различияметодов тунеллирования Фаулера-Нордхейма (FN) и метода инжекции«горячих» электронов:

Channel FNtunneling — не требует большого напряжения. Ячейки, использующие FN, могут бытьменьше ячеек, использующих CHE.

CHE injection(CHEI) — требует более высокого напряжения, по сравнению с FN. Таким образом,для работы памяти требуется поддержка двойного питания.

Программированиеметодом CHE осуществляется быстрее, чем методом FN.

Следуетзаметить, что, кроме FN и CHE, существуют другие методы программирования истирания ячейки, которые успешно используются на практике, однако два описанныхнами применяются чаще всего.

Процедурыстирания и записи сильно изнашивают ячейку флэш-памяти, поэтому в новейшихмикросхемах некоторых производителей применяются специальные алгоритмы, опт/>имизирующие процесс стирания-записи, а также алгоритмы,обеспечивающие равномерное использование всех ячеек в процессефункционирования.

Некоторыевиды ячеек флэш-памяти на основе МОП-транзисторов с «плавающим»затвором:

Stacked GateCell — ячейка с многослойным затвором. Метод стирания — Source-Poly FNTunneling, метод записи — Drain-Side CHE Injection.

SST Cell, илиSuperFlash Split-Gate Cell (Silicon Storage Technology — компания-разработчиктехнологии) — ячейка с расщеплённым затвором. Метод стирания — Interpoly FNTunneling, метод записи — Source-Side CHE Injection.

TwoTransistor Thin Oxide Cell — двухтранзисторная ячейка с тонким слоем окисла.Метод стирания — Drain-Poly FN Tunneling, метод записи — Drain FN Tunneling.

Другие видыячеек:

Кроменаиболее часто встречающихся ячеек с «плавающим» затвором, существуюттакже ячейки на основе SONOS-транзисторов, которые не содержат плавающегозатвора. SONOS-транзистор напоминает обычный МНОП (MNOS) транзистор. ВSONOS-ячейках функцию «плавающего» затвора и окружающего егоизолятора выполняет композитный диэлектрик ONO. Расшифровывается SONOS(Semiconductor Oxide Nitride Oxide Semiconductor) какПолупроводник-Диэлектрик-Нитрид-Диэлектрик-Полупроводник. Вместо давшегоназвание этому типу ячейки нитрида в будущем планируется использоватьполикристаллический кремний.

Многоуровневые ячейки (MLC — Multi Level Cell).

/>В последнее время многие компании начали выпуск микросхемфлэш-памяти, в которых одна ячейка хранит два бита. Технология хранения двух иболее бит в одной ячейке получила название MLC (multilevel cell — многоуровневая ячейка). Достоверно известно об успешных тестах прототипов,хранящих 4 бита в одной ячейке. В настоящее время многие компании находятся впоисках предельного числа бит, которое способна хранить />многоуровневаяячейка.

В технологии MLCиспользуется аналоговая природа ячейки памяти. Как известно, обычная однобитнаяячейка памяти может принимать два состояния — «0» или «1».Во флэш-памяти эти два состояния различаются по величине заряда, помещённого на«плавающий» затвор транзистора. В отличие от «обычной»флэш-памяти, MLC способна различать более двух величин зарядов, помещённых на«плавающий» затвор, и, соответственно, большее число состояний. Приэтом каждому состоянию в соответствие ставится определенная комбинация значенийбит.

Во время записи на «плавающий» затвор помещаетсяколичество заряда, соответствующее необходимому состоянию. От величины зарядана «плавающем» затворе зависит пороговое напряжение транзистора.Пороговое напряжение транзистора можно измерить при чтении и определить по немузаписанное состояние, а значит и записанную последовательность бит.

Основные преимущества MLC микросхем:

§ Более низкое соотношение $/МБ

§ При равном размере микросхем и одинаковом техпроцессе «обычной»и MLC-памяти, последняя способна хранить больше информации (размер ячейки тотже, а количество хранимых в ней бит — больше)

§ На основе MLC создаются микросхемы б/>ольшего, чем на основеоднобитных ячеек, объёма

Основные недостатки MLC:

§ Снижение надёжности, по сравнению с однобитными ячейками, и,соответственно, необходимость встраивать более сложный механизм коррекцииошибок (чем больше бит на ячейку — тем сложнее механизм коррекции ошибок)

§ Быстродействие микросхем на основе MLC зачастую ниже, чем умикросхем на основе однобитных ячеек

§ Хотя размер MLC-ячейки такой же, как и у однобитной,дополнительно тратится место на специфические схемы чтения/записимногоуровневых ячеек

Технология многоуровневых ячеек от Intel (для NOR-памяти)носит название StrtaFlash, аналогичная от AMD (для NAND) — MirrorBit

3.2 Архитектура флэш-памяти.

Существует несколько типов архитектур (организаций соединениймежду ячейками) флэш-памяти. Наиболее распространёнными в настоящее времяявляются микросхемы с о/>рганизациейNOR и NAND.

/>NOR (NOT OR, ИЛИ-НЕ)

/>

Ячейки работают сходным с EPROM способом. Интерфейс параллельный. Произвольное чтение и запись.

Преимущества: быстрый произвольный доступ, возможность побайтной записи.

Недостатки: относительно медленная запись и стирание.

Из перечисленных здесь типов имеет наибольший размер ячейки, а потому плохо масштабируется. Единственный тип памяти, работающий на двух разных напряжениях.

Идеально подходит для хранения кода программ (PC BIOS, сотовые телефоны), идеальная замена обычному EEPROM.

Основные производители: AMD, Int/>el, Sharp, Micron, Ti, Toshiba, Fujitsu, Mitsubishi, SGS-Thomson, STMicroelectronics, SST, Samsung, Winbond, Macronix, NEC, UMC.

Программирование: методом инжекции «горячих» электронов
Стирание: туннеллированием FN

/>NAND (NOT AND, И-НЕ)

/>

Доступ произвольный, но небольшими блоками (наподобие кластеров жёсткого диска). Последовательный интерфейс. Не так хорошо, как AND память подходит для задач, требующих произвольного доступа.

Преимущества: быстрая запись и стирание, небольшой размер блока.

Недостатки: относительно медленный произвольный доступ, невозможность побайтной записи.

Наиболее подходящий тип памяти для приложений, ориентированных на блочный обмен: MP3 плееров, цифровых камер и в качестве заменителя жёстких дисков.

Основные производители: Toshiba, AMD/Fujitsu, Samsung, National

Программирование: туннеллированием FN
Стирание: туннеллированием FN

/>AND (И)

/>

Доступ к ячейкам памяти последовательный, архитектурно напоминает NOR и NAND, комбинирует их лучшие свойства. Небольшой размер блока, возможно быстрое мультиблочное стирание. Подходит для потребностей массового рынка. Основные производители: Hitachi и Mitsubishi Electric.

Программирование: туннеллированием FN
Стирание: туннеллированием FN

/>DiNOR (Divided bit-line NOR, ИЛИ-НЕ с разделёнными разрядными линиями)

/>

Тип памяти, комбинирующий свойства NOR и NAND. Доступ к ячейкам произвольный. Использует особый метод стирания данных, предохраняющий ячейки от пережигания (что способствует большей долговечности памяти). Размер блока в DiNOR всего лишь 256 байт. Основные производители: Mitsubishi Electric, Hitachi, Motorola.

Программирование: туннеллированием FN
Стирание: туннеллированием FN

/>Примечания: В настоящее время чаще всего используются память с архитектурой NOR и NAND. Hitachi выпускает многоуровневую AND-память с NAND-итерфейсом (SuperAnd или AG-AND [Assist Gate-AND])

Доступ к флэш-памяти

Существует три основных типа доступа:

обычный (Conventional): произвольный асинхронный доступ к ячейкам памяти. пакетный (Burst): синхронный, данные читаются параллельно, блоками по 16 или 32 слова. Считанные данные передаются последовательно, передача синхронизируется. Преимущество перед обычным типом доступа — быстрое последовательное чтение данных. Недостаток — медленный произвольный доступ. страничный (Page): асинхронн/>ый, блоками по 4 или 8 слов. Преимущества: очень быстрый произвольный доступ в пределах текущей страницы. Недостаток: относительно медленное переключение между страницами. Примечание: В последнее время появилисьмикросхемы флэш-памяти, позволяющие одновременную запись и стирание (RWW — ReadWhile Write или Simultaneous R/W) в разные банки памяти.
/>5. Карты памяти (флэш-карты)

Наиболее распространенные типы карт памяти: CompactFlash(CF) (I,II), MultiMedia Card, SD Card, Memory Stick, SmartMedia, xD-PictureCard, PC-Card (PCMCIA или ATA-Flash). Существуют и другие портативныеформ-факторы флэш-памяти, однако встречаются они намного реже перечисленныхздесь.

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

Параллельный:

PC-Card (PCMCIA или ATA-Flash) CompactFlash (CF) SmartMedia (SSFDC)

Последовательный:

MultiMedia Card (MMC) SD-Card (Secure Digital — Card) Sony Memory Stick />PC-Card(PCMCIA) или ATA Flash

Интерфейс: параллельный

/>Самым старым и самым большим по размеру следует признать PCCard (ранее этот тип карт назывался PCMCIA [Personal Computer Memory CardInternational Association]). Карта снабжена ATA контроллером. Благодаря этомуобеспечивается эмуляция обычного жесткого диска. В настоящее время флэш-памятьэтого типа используется редко. PC Card бывает объемом до 2GB. Существует тритипа PC Card ATA (I, II и III). Все они отличаются толщиной (3,3 5,0 и 10,5 ммсоответственно). Все три типа обратно совместимы между собой (в более толстомразъеме всегда можно использовать более тонкую карту, поскольку толщина разъемау всех типов одинакова – 3,3 мм). Питание карт — 3,3В и 5В. ATA-flash какправило относится к форм фактору PCMCIA Type I.

Тип Длина Ширина Толщина Использование Type I 85,6 мм 54 мм 3,3 мм Память (SRAM, DRAM, Flash и т. д) Type II 85,6 мм 54 мм 5 мм Память, устройства ввода-вывода (модемы, сетевые карты и т. д) Type III 85,6 мм 54 мм 10,5 мм Устройства хранения данных, жёсткие диски

PC-Card Flash бываютдвух типов: PCMCIA Linear Flash Card и ATA Flash Card (Flash Disk).Linear встречается намного реже ATA flash и не совместим с последним. Отличиемежду ними состоит в том, что ATA Flash содержит в себе схему, позволяющуюэмулировать обычный HDD, автоматически помечать испорченные блоки, ипроизводить автоматическое стирание блоков.

/>Compact Flash (CF)

Интерфейс: параллельный, 50-ти контактный, соответствует стандарту PCMCIA ATA.Стандарт разработан компанией SanDisk в 1994 году. Разработчики формата CompactFlash поставили цель: сохранить все преимущества карт ATA Flash, преодолев ихосновной недостаток — большие размеры. Конструкция карт CompactFlashобеспечивает эмуляцию жёсткого диска с АТА интерфейсом. Разъёмы Compact Flash расположены на торце карты, электрически и функциональноповторяя назначение контактов PCMCIA. Таким образом, чтобы установитьCompactFlash 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, другихсущественных отличий между этими картами нет. CF I можно использовать вустройствах, снабженных разъемами CF II и CF I. CF II можно использовать тольков устройствах с разъемами CF II (т.е. CF II типа обратно совместим с CF Iтипа). Compact Flash II типа были разработаны тогда, когда возникланеобходимость в картах большого объема. Сейчас необходимости в картах CF IIотпала, так как CF I догнали по объему карты CF II, так что карты второго типапостепенно теряют популярность. Карты Compact Flash поддерживают дванапряжения: 3.3В и 5В. В отличие от карт SmartMedia, которые существуют в двухверсиях (трёх- и пяти- вольтовой), любая карта CF способна работать с любым издвух видов питания. 16 июня 2003 года была утверждена спецификация v2.0.Скорость передачи данных согласно новой спецификации может достигать 16MB/s,при этом обеспечивается обратная совместим ость — карты, выпущенные поспецификации 2.0, будут работать в старых устройствах, но с меньшей скоростью.Произведенные по современным технологиям чипы флэш-памяти могут оперировать наскоростях 5-7 MB/s, так что теоретический предел в 16 MB/s оставляет солидныйзапас для роста. В ближайшее время будут приняты дополнения, позволяющие CFработать в режиме DMA, а в 2004 году — Ultra DMA 33, что позволит работатькартам CompactFlash с быстродействием до 33 MB/s. Сегодня теоретический пределемкости для CF составляет 137 GB. Следует заметить, что будущее CF вполнеопределенно благодаря тому, что в этом типе карт реализовываются давниенаработки ATA, успешно прошедшие испытание временем на компьютерных жесткихдисках.

/>/>SmartMedia(SSFDC/> – />Solid State Floppy Disk Card)

Интерфейс:параллельный, 22-х контактный.Разработана в 1995 году компаниями Toshiba и Samsung.

8 из 22-х контактовкарты используются для передачи данных, остальные используются для питаниямикросхемы, управления и несут на себе другие вспомогательные функции.  Толщинакарты всего лишь 0,76мм. SmartMedia — единственный формат флэш-карт (изтех, 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 отличаютсямаркировкой и тем, с какой стороны у карты скошен угол: у 5В SmartMedia онскошен слева, а у 3,3В — справа). На карте имеется специальное углубление (вформе кружочка). Если в это место приклеить соответствующей формытокопроводящий стикер, то карта будет защищена от записи. По сравнению сдругими 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, кромемикросхемы NAND-памяти, не содержит в себе никакой другой микроэлектроники.

/>xD-Picture Card/>

/>Интерфейс:параллельный, 22-х контактный. Анонсирован в 30 июля 2002 года компаниямиFujifilm и Olympus.

По сл/>овамразработчиков, XD следует расшифровывать как eXtreme Digital.Теоретически емкость карт xD может достигать 8ГБ. Сообщается, что скоростьзаписи данных на xD будет достигать 3 Мбайт/с, а скорость чтения — 5 Мбайт/с. Размерыкарты: 20 х 25 х 1,7 мм. Контакты у XD расположены, так же как и у SmartMedia,на лицевой части карты. На вопросы пользователей, не будет ли проблем с такимиконтактами, представители компании объясняют, что с контактами такойконструкции нужно быть очень бережным и протирать их сухой тряпочкой в случаезагрязнения или попадения на них влаги (единственные карты с таким«свойством», не считая SM). Как и/> SmartMedia, xD не содержит контроллера. Карта разработана вкачестве замены SmartMedia и продается по сравнимой со SmartMedia цене(возможно, из-за отсутствия встроенного контроллера), благо чипы для xD-PictureCard производятся Toshiba. Теоретический предел емкости – 8GB.

/>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 считаетсязарезервированным на будущее. По стандарту MMC способна работать на частотах до20МГц. Карточка состоит из пластиковой оболочки и печатной платы, на которойрасположена 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 данныеи команды могут передаваться одновременно. MultiMedia Card работает снапряжением 2.0В — 3.6В, однако спецификацией предусматриваются карты спониженным энергопотреблением — Low Voltage MMC (напряжение 1.6В — 3.6В). Длясовсем уж мобильных устройств Hitachi выпускаются укороченные карты MMC длинойвсего 18мм, вместо обычных 32-х./>

Карты MMC могутработать в двух режимах: MMC и SPI (Serial Peripheral Interface). Режим SPIявляется частью протокола MMC и используется для коммуникации с каналом SPI,который обычно используется в микроконтроллерах Motorola и другихпроизводителей. Стандарт SPI определяет только разводку, а не весь протоколпередачи />данных.По этой причине в MMC SPI используется подмножество команд протокола MMC. РежимSPI предназначен для использования в устройствах, которые используют небольшоеколичество карт памяти (обычно одну). С точки зрения приложения преимуществоиспользования режима SPI состоит в возможности использования уже готовыхрешений, уменьшая затраты на разработку до минимума. Недостаток состоит впотере производительности на SPI системах, по сравнению с MMC. Кроме описанногонами обычного MMC, существуют еще несколько стандартов карт MMC, такие как:RS-MMC, HS-MMC, CP-SMMC, PIN-SMMC. Утвержденный MMCA (MMC Association –ассоциация производителей MMC) в конце 2002 года стандарт RS-MMC (Redused SizeMMC) отличается от обычной MMC только габаритами – карта приблизительно в двараза меньше обычного MMC. 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 13контактов. Размеры карты как у обычной MMC. В режиме x8 (52Mhz) скоростьпередачи данных в теории может достигнуть 52MBps. Форматы CP-SMMC и PIN-SMMC мырассмотрим позднее, в разделе SDMI-совместимые карты памяти.

/>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, однакоспецификацией предусматриваются SDLV-карты (SD Low Voltage) с пониженнымэнергопотреблением (напряжение 1,6В — 3,6В), кроме того, спецификациейпредусмотрены карты толщиной 1,4мм (как у MMC), без переключателя защиты отзаписи./> Фактическикарточки SD являются дальнейшим развитием стандарта MMC. Флэш-карты SD обратносовместимы с MMC (в устройство с разъемом SD можно вставить MMC, но ненаоборот).

Основные отличия отMMC:

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. Множество значений слова Secure находится в диапазоне глаголов [охранять, обезопасить, запирать, овладевать, достигать, брать под стражу] и прилагательных [спокойный, безопасный, надёжный, застрахованный]. Digital, видимо, следует понимать как цифровой, а как правильно перевести всё вместе я предлагаю подумать вам самим. 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).

Несколько удивляетотсутствие прямой совместимости между этими двумя видами карт (т.е. то, что SDнеспособна работать по протоколу MMC). Если внимательно рассматриватьспецификации обоих типов карт и не обращать внимания на то, что SD может бытьтолще MMC, то отсутствие такой совместимости даже удивляет, посколькуреализовать её было несложно, да и выглядело бы это очень естественно. Чтонаводит на мысль о том, что, хотя подобную совместимость можно было реализоватьбез особых трудностей, SD намеренно разработана не как расширение спецификацииMMC, а как отдельный конкурирующий стандарт./>

Sony Memory Stick:

Интерфейс:последовательный, 10-ти контактный. Разработана в 1998 году компанией Sony./>Особенных технических инноваций вMemoryStick не заметно, разве что переключатель защиты от записи (WriteProtection Switch) выполнен действительно грамотно, да контакты хорошоупрятали. До недавнего времени голубые «палочки памяти»использовалась исключительно в цифровой фото-, аудио- и видео- технике фирмыSony. В настоящее время Sony активно продвигает свой формат, и лицензируеттехнологию другим производителям.

На питание уMemoryStick отведено 4 из 10 контактов, еще 2 контакта зарезервированы, одинконтакт используется для передачи данных и команд, один для синхронизации, одиндля сигнализации состояния шины (может находится в 4-х состояниях), а/> один(sic!) для определения того, вставлена карта, или нет. Карта работает вполудуплексном режиме. Максимальная частота, на которой может работать карта — 20МГц. Зарезервированные контакты (по непроверенным данным) используются вустройствах 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 (цветкарточки — белый) и поддержкой механизма «защиты авторских прав» — Magic Gate (об этой технологии подробнее будет сказано в разделе“SDMI-совместимые карты памяти”). Благодаря поддержке этой технологии карточкаи получила свое название. Механизм защиты, реализованной в MG, соответствуетсоглашениям SDMI. Пытаясь угнаться за малым весом и размерами конкурирующихформатов (SD/MMC), в 2000 году Sony разработала ещё один формат — Memory StickDuo. От обычного MemoryStick, Duo отличается меньшими размерами и весом. Прииспользовании MemoryStick Duo в устройствах, предназначенных для обычныхMemoryStick, требуется специальный адаптер. Также существует модификация этогоформата флэш-памяти — Memory Stick Duo MG. Карточки Duo появились в продаже сиюля 2002 года.  На январской выставке Consumer Electronics Show 2003 былапредставлена карта MemoryStick Pro, разработанная Sony совместно с SanDisk.Новая модификация карт Sony имеет те же размеры и такое же количествоконтактов, как и у обычных MemoryStick. Однако карта не совместима со старымиMemoryStick (в разъеме, предназначенном для обычных MemoryStick, карточкаMemoryStick Pro работать не будет, однако обратная поддержка реализована – вразъеме для карточек Pro, обычный MemoryStick читается).

Технически карточки Proотличаются от обычных MemoryStick тем, что работают на более высокой частоте(40MHz), а данные передаются по четырем линиям, вместо одной. Кроме того, всекарточки Pro “в нагрузку” поддерживают MagicGate. Пропускная способностьинтерфейса 160Mbps, или 20MB/s (4 линии x 40 MHz), однако с такимбыстродействием карточка долго работать не может – на такой скорости способенработать только внутренний кэш, а по его заполнении карточка будет работать спропускной способностью 15mbps.

/>

/> Вывод: «Война стандартов» нарынке флэш-карт продолжается уже не первый год, и конца ей не видно.Производители разрабатывают все новые форматы карт, в то время как старые досих не желают исчезать. Практически можно говорить лишь о смерти устаревшегодостаточно давно стандарта SmartMedia, хотя какая ж это смерть, если картыпродолжают выпускаться (пусть и остановившись в развитии), выходят новыеустройства, рассчитанные именно на этот стандарт, да и старых на рукахсохраняется немало. Однако некоторые тенденции уже просматриваются. Вчастности, продолжают терять свою долю карты CompactFlash: еще не так давно они(и поддерживающие их устройства) на рынке доминировали (по разным оценкам, доляформата составляла порядка 70-80%), в то время как сейчас они уже потерялилидирующие позиции. Новым победителем, как многие и предсказывали, становитсяSecureDigital. Эти карты меньше, что упрощает их применение, интерфейс проще, конструкциянадежней, скорости постоянно растут. Единственное, что мешает SD одержатьбезоговорочную победу — ориентация многих производителей техники на своиформаты. Впрочем, что касается последнего, то наиболее ходовые объемы в 256-512Мбайт производителями уже освоены, а широкое распространение карт емкостью 1Гбайт и больше не за горами.

Литература:

·    Г93 Аппаратные средства IBM РС.Энциклопедия, 2-е. – СПб.: Питер, 2001 928 с.: ил. Автор – Михаил Гук

·    А. Жаров Ж35 «Железо IBM2000» Москва: «МикроАрт», 352с.

Internet:

1)  http://www.ixbt.com/storage.shtml

2)  http://www.itc.ua/

3)  http://www.ak-cent.ru/?parent_id=9842

/>