Самый типичный представитель полупроводниковых носителей информации — flash-диск. Сегодня эти носители информации полностью вытеснили дискеты и начинают постепенно теснить лазерные диски благодаря своим габаритам. Flash-память всерьез рассматривается и как альтернатива жестким дискам ноутбуков первые образцы уже поступили в широкую продажу. Карты памяти разных типов — обязательный атрибут любой карманной техники: фотоаппаратов, видеокамер, лееров, мобильных телефонов. Особняком стоят IM-карты мобильных телефонов. Несмотря на микроскопические размеры, это очень сложное устройство — целый микрокомпьютер, и лишь часть его памяти выделена для хранения пользовательских данных. Принцип работы и устройство flash-памяти В основе любой flash-памяти лежит кристалл кремния, на котором сформированы не совсем обычные полевые транзисторы. У такого транзистора есть два изолиро¬ванных затвора: управляющий (control) и плавающий (floating). Последний способен удерживать электроны, то есть заряд. В ячейке, как и у любого полевого транзистора, есть сток и исток (рис. 4.1). В процессе записи на управляющий затвор подается положительное напряжение, и часть электронов, движущихся от стока к истоку, отклоняется к плавающему затвору. Некоторые из электронов преодолевают слой изолятора и проникают (диффундируют) в плавающий затвор. В нем они могут оставаться в течение многих лет. Концентрация электронов в области плавающего затвора определяет одно из двух устойчивых состояний транзистора — ячейки памяти. В первом, исходном, состоянии количество электронов на плавающем затворе мало, а пороговое напряжение открытия транзистора относительно невысоко (логическая единица). Когда на плавающий затвор занесено достаточное количество электронов, транзистор оказывается во втором устойчивом состоянии. Напряжение открытия его резко увеличивается, что соответствует логическому нулю. При считывании измеряется пороговое напряжение, которое нужно подать на сток для открытия транзистора. Для удаления информации на управляющий затвор кратковременно подается отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора диффундируют обратно на исток. Транзистор вновь переходит в состояние логической единицы и остается в нем, пока не будет произведена очередная запись. Примечательно, что во flash-памяти один транзистор хранит один бит информации — он и является ячейкой. Весь процесс «запоминания» основан на диффузии электронов в полу¬проводнике. Отсюда следуют два не очень оптимистичных вывода. хранения заряда очень велико и измеряется годами, но все же ограниче¬но: законы термодинамики и обратной диффузии. По той же причине ограничено число циклов записи-перезаписи: от ста тысяч до нескольких миллионов. Со временем неизбежно происходит деградация самого материала и p-n-переходов. Например, карты Kingston Compact Flash рассчитаны на 300 ООО циклов перезаписи, Transcend Compact Flash — на 1 ООО ООО, а flash-диск Transcend 1Gb USB - всего на 100 ООО. Существуют две архитектуры flash-памяти. Они отличаются способом обращения к ячейкам и, соответственно, организацией внутренних проводников. Память NOR (ИЛИ-НЕ) позволяет обращаться к ячейкам по одной. К каждой ячейке подходит отдельный проводник. Адресное пространство NOR-памяти позволяет работать с отдельными байтами или словами (2 байта). Гакая архи¬тектура накладывает серьезные ограничения на максимальный объем памяти на единице площади кристалла. Память NOR сегодня используется лишь в микросхемах BIOS и других ПЗУ малой емкости, например в сотовых теле¬фонах. В памяти архитектуры NAND (И-НЕ) каждая ячейка оказывается на пересе¬чении «линии бит» и «линии слов». Ячейки группируются в небольшие блоки по аналогии с кластером жесткого диска. И считывание, и запись осуществля¬ются лишь целыми блоками или строками. Все современные съемные носители построены на памяти NAND. Крупнейшими производителями NAND-чипов являются компании Intel, Micron Technology, Sony и Samsung. Ассортимент выпускаемых чипов довольно велик, а обновление его происходит несколько раз в год. Контроллеры Для управления чтением и записью служит контроллер памяти. В настоящее время контроллер всегда выполняется в виде отдельного элемента (это либо микросхема одного из стандартных форм-факторов, либо бескорпусный чип, встраиваемый в карту памяти), хотя ведутся работы по интеграции контроллера непосредственно в кристалл flash-памяти. Контроллеры разрабатываются и выпускаются под совершенно определенные микросхемы flash-памяти. Способ адресации ячеек конструктивно заложен в кон-. троллере. Данные при записи в микросхему flash-памяти располагаются опреде¬ленным способом, меняющимся от модели к модели. Производители эти тонкости не раскрывают и, по всей видимости, раскрывать не планируют. Очевидно, микро¬программ контроллеров создается значительно больше, чем самих моделей конт¬роллеров. Микропрограмма контроллера (прошивка) и таблица трансляции адре¬сов (транслятор) записываются в служебную область flash-памяти. Именно эту область контроллер начинает считывать сразу после подачи на него питания. Кро¬ме собственно адресации ячеек, контроллер выполняет ряд других функций: фун¬кции контроля bad-секторов, коррекции ошибок (ЕСС — error check and correct) и равномерности износа ячеек (wear leveling). Технологической нормой при изготовлении микросхем памяти считается наличие в них в среднем до 2 % нерабочих ячеек. Со временем их количество может еще увеличиваться, поэтому, как и в винчестерах, во flash-памяти предусмотрен резер¬вный объем. Если появляется дефектный сектор, контроллер в процессе формати¬рования или записи подменяет его адрес в таблице размещения файлов адресом сектора из резервной области. Коррекция осуществляется контроллером, но реа¬лизуется на уровне файловой системы конкретного носителя. Из-за ограниченного ресурса ячеек (порядка нескольких миллионов циклов чте¬ния/записи для каждой) в контроллер заложена функция учета равномерности износа. Чтобы запись информации осуществлялась равномерно, свободное про¬странство условно разбивается на участки, и для каждого из них учитывается ко¬личество операций записи. Статистика циклов заносится в скрытую служебную область памяти, и за этими сведениями контроллер периодически обращается к ней. На адресацию это не влияет. Конструкция flash-диска USB Несмотря на разнообразие корпусов, все flash-диски USB устроены одинаково. Половинки корпуса часто соединены защелками и обычно легко разбираются. Исключение составляют водонепроницаемые или ультрамодные корпуса — для их вскрытия иногда приходится разрезать склеенные или залитые герметиком детали. На плате внутри flashдиска USB (рис. 4.2) обязательно присутствуют две микросхемы: чип памяти и контроллер. На обеих нанесена заводская маркировка. Иногда плата несет два чипа flash-памяти, которые работают в паре. Обвязка микросхем состоит из нескольких резисторов и диодов, стабилизатора питания и кварцевого резонатора. В последнее время стабилизатор все чаще встраивается непосредствен¬но в контроллер, и число навесных элементов сокращается до минимума. Кроме того, на плате могут находиться светодиодный индикатор и миниатюрный переключатель для защиты от записи. Разъем USB припаян непосредственно к плате. Места пайки контактов во многих моделях являются довольно уязвимыми, поскольку на них приходится механическая нагрузка при подключении и отключении устройства. Виды и конструкция карт памяти Многие компании время от времени предлагали пользователям разные конструкции карт памяти. За редкими исключениями все они несовместимы между собой по числу и расположению контактов и электрическим характеристикам. Flash-карты бывают двух типов: с параллельным (parallel) и последовательным (serial) интерфейсом. В табл. 4.1 перечислены 12 основных типов карт памяти, которые встречаются в на¬стоящее время. Внутри каждого типа существуют свои дополнительные разновид¬ности, с учетом которых можно говорить о существовании почти сорока видов карт. Карты ММС могут работать в двух режимах: MMC (MultiMedia Card) и SPI (Serial Peripheral Interface). Режим SPI является частью протокола ММС и используется для коммуникации с каналом SPI в микроконтроллерах компании Motorola и некоторых других производителей. В слот для карты SD (Secure Digital) можно вставить карту ММС (MultiMedia Card), но не наоборот. В контроллер карты SD заложено аппаратное шифрование данных, а сама память снабжена специальной областью, в которой хранится ключ шифрования. Сделано это для того, чтобы препятствовать нелегальному копированию музы¬кальных записей, для хранения и продажи которых и задумывался такой носитель. На карте сделан переключатель защиты от записи (write protection switch). Карты CompactFlash (CF) можно легко вставить в разьем PCMCIA Type II. Не¬смотря на то что у PCMCIA 68 контактов, а у CF — только 50, конструкция карт CompactFlash обеспечивает полную совместимость и обладает всеми функциональ¬ными возможностями формата PCMCIA-AT А. Все карты памяти Memory Stick (стандарт корпорации Sony) относительно совмес¬тимы между собой. Стандартом теоретически предусмотрен объем карты памяти до 2 Тбайт, хотя в реальности емкость достигает единиц гигабайт. Карты SmartMedia практически не используются, но их можно встретить в очень старых фотоаппаратах, хотя это был единственный стандарт, в котором контроллер находился не внутри карты, а в устройстве считывания. Конструкция карт памяти неразборная — это непригодное для ремонта устройство. Бескорпусные микросхемы вместе с выводами залиты в компаунд и все вместе спрессованы в пластиковую оболочку. Добраться до кристалла можно лишь путем вскрытия устройства, но при этом почти неизбежно повреждение проводников. Устройства считывания Для считывания flash-диска USB достаточно обычного порта USB: подобные устрой¬ства благодаря своему контроллеру видятся компьютером как стандартный съемный диск. Контроллеры всех карт памяти обращены вовне последовательными или парал¬лельными интерфейсами — контактами на карте. Для каждого из этих интерфейсов нужен соответствующий переходник — дополнительный контроллер, согласующий этот интерфейс со стандартным портом USB. Кард-ридер — устройство, состоящее из одно¬го или нескольких подобных контроллеров, преобразователя питания и разъемов для разных карт памяти (рис. 4.3). Питание осуществляется от источника +5 В через кабель USB.
