Смагин М.С. Вычислительные машины, системы и сети (1088253), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Носителиэтого типа были изобретены в 1984 году инженерами японской фирмы Toshiba. В 1988 году на рынке появились первые коммерческие версии микросхем флеш-памяти. Привычные для нас флеш-носители информации появились в конце 2000 года, когда инженерам пришла идея интеграции микросхем флеш-памяти и контроллера шины USB в едином корпусе с USBразъёмом.С точки зрения основных требований к системам памяти они обладаютещё более низкой, чем у жёстких дисков скоростью доступа к данным и дороже в расчёте на единицу хранения, при этом так же энергонезависимы, а ихважные преимущества – простота устройства и портативность.Начнём с простоты устройства.
Информация во флэш-памяти, как и впамяти оперативной хранится в ячейках, построенных на базе одного транзистора. Однако, в отличие от оперативной памяти, заряд, величина которогоявляется носителем информации, хранится не на конденсаторе, встроенном втранзистор, а на плавающем затворе в полевом транзисторе. Плавающий затвор представляет собой электрически изолированную область транзистора,способную хранить информацию в течение длительного времени.Рис. Структура ячейки флеш-памяти95При чтении на управляющий затвор подаётся низкое положительноенапряжение.
При отсутствии заряда на плавающем затворе, между стоком иистоком протекает электрический ток. Такое состояние чаще всего трактуется, как логическая единица. Если же заряд есть, то ток отсутствует, и такоесостояние соответствует логическому нулю.Логическая единицаЛогический нольРис. Работа ячейки флеш-памятиПри записи на управляющий затвор подаётся высокое напряжение. Если необходимо создать заряд на плавающем затворе, то такое напряжениеимеет положительную полярность. Если же необходимо разрядить плавающий затвор, – то отрицательную.У такого технического решения есть свои достоинства и недостатки.Несомненным достоинством является то, что заряд на плавающем затвореможет храниться порядка десяти-двадцати лет. Недостатком является то, чтоколичество циклов перезаписи в такую ячейку ограничено. Современнаяфлеш-память поддерживает порядка 100 тысяч циклов.
Образцы с пиковымихарактеристиками позволяют выполнять до миллиона циклов чтения-записи.В первых моделях флеш-памяти одна ячейка позволяла хранить лишьдва значения – ноль и единицу. Таким образом, каждая ячейка хранила одинбит информации. Такие ячейки назывались одноуровневыми или SLC (Single-Level Cell). Необходимость увеличить логическую ёмкость привела к тому, что различными уровнями заряда на плавающем затворе стали кодиро96вать несколько различных значений. В результате появилась возможность вкаждой ячейке хранить несколько бит информации. Такие ячейки получилиназвание многоуровневых, или MLC (Multi-Level Cell).В настоящее время выпускается флеш-память как SLC-, так и MLCтипа.
SLC-память более надёжна, но имеет меньший объём и скорость работы. MLC-память более ёмкая и быстрая, но гарантирует меньшее число циклов перезаписи и более короткий срок хранения информации.На логическом уровне проектирования существует два подхода к построению флеш-памяти – на основе элементов типа ИЛИ-НЕ (NOR) и на основе элементов И-НЕ (NAND).Особенностью флеш-памяти, построенной на элементах типа ИЛИ-НЕ,является то, что к каждой ячейке подводится индивидуальный контакт чтения-записи. Это позволяет произвольно задавать считываемую порцию, которая может составлять один или несколько байт, одно или несколько машинных слов. Однако линии передачи данных к этим контактам занимаютбольше места на кристалле. Поэтому при одной и той же площади кристалла,построенной на элементах ИЛИ-НЕ, на нём поместится гораздо меньше памяти, чем на кристалле, построенном на элементах И-НЕ.Память, построенная на ячейках типа И-НЕ, наоборот, допускает только блочное выполнение операции чтения-записи.
Однако уменьшенное количество линий передачи данных позволяет плотнее располагать ячейки накристалле. То есть, − поместить на кристалле той же площади можно разместить гораздо больший логический объём, чем на кристалле с ячейками типаИЛИ-НЕ. Как указывается в литературе, разница в площади кристаллов одинаковой ёмкости, построенных на ячейках ИЛИ-НЕ, и на ячейках И-НЕ, может достигать 40%.Увеличение плотности компоновки ячеек автоматически означает повышение скорости работы, поэтому флеш-память на И-НЕ ячейках, как правило, обеспечивает более высокую скорость доступа к данным, чем флешпамять на ячейках ИЛИ-НЕ.
Лучшие современные флеш-носители допускают97чтение со скоростью порядка 30 мегабайт в секунду и запись со скоростьюприблизительно вдвое меньшей.С другой стороны, наличие индивидуального контакта чтения-записи,позволяет протестировать все ячейки ИЛИ-НЕ-памяти ещё на этапе производства. Полученный список неисправных ячеек позволяет избежать обращения к ним в процессе работы.C И-НЕ-памятью дела обстоят иначе. Чтение и запись данных в нее могут выполняться только в блочном режиме. То есть, невозможно, например,считать значение из одной ячейки или группы ячеек в блоке, − считать можно только блок целиком. Размер блока современных флеш-носителей различается, и, в зависимости от их общей логической ёмкости, может составлятьот 16 до 512 килобайт.Блочный характер чтения-записи не позволяет выявить сбойные ячейкина этапе производства.
Поэтому задачу корректного хранения данных приходится решать программно, в первую очередь за счёт использования специализированных файловых систем.Для операционных систем типа Microsoft Windows такая файловая система носит название exFAT. Она разрабатывалась специально для использования в компактных портативных устройствах. Первой операционной системой, допускавшей монтирование устройств с подобной файловой системой,являлась система Windows Ebedded 4.0. Что же касается современных ОС дляперсональных компьютеров, то работу с ней поддерживают Windows Vista,Windows 7 и Windows Server 2008.Поддержка exFAT в более ранних системах, в первую очередь наиболее популярной сейчас Windows XP, включается только после установкиспециализированного пакета обновлений от Microsoft.
По умолчанию же используется уже упоминавшаяся файловая система FAT.Кроме того, при создании флеш-памяти на основе И-НЕ-ячеек их компонуют в микросхемных модулях с запасом, достаточным для того, чтобы,98несмотря на наличие сбойных ячеек, предоставлять пользователю заявленную логическую ёмкость.Особенности описанных типов флеш-памяти предопределили и направления их практического использования.
ИЛИ-НЕ-память используется, восновном, при создании изделий повышенной надёжности, требующих сравнительно небольшого объёма памяти. В первую очередь это ПЗУ различныхЭВМ, например BIOS материнских плат. Память на ячейках типа И-НЕ используется в тех случаях, когда приоритетной характеристикой является ёмкость.
Поэтому именно этот тип ячеек используется при создании столь популярных нынче флешек и флеш-винчестеров.Рост ёмкости флеш-носителей подчиняется знаменитому закону Мура.В исходной своей формулировке данный закон гласит, что количество транзисторов на кристаллах микропроцессоров удваивается каждые 18 месяцев.Закон этот сугубо эмпирический, то есть не имеющий теоретического обоснования, и подтверждённый лишь практическим опытом. Впервые он былсформулирован в 1965 году одним из отцов-основателей компании Intel Гордоном Муром.
Впоследствии он был переформулирован в том ключе, чтопроизводительность процессоров удваивается каждые 18 месяцев. Применительно к флеш-носителям его можно сформулировать как: «ёмкость флешносителей удваивается каждые 18 месяцев».В настоящее время очень популярны программы, запускаемые непосредственно с флешки, что позволяет подключаться и работать на произвольном компьютере без установки своих программных продуктов на его жёсткий диск. Наиболее полным и интересным из подобных пакетов, по крайней мере на взгляд автора, является пакет, доступный для скачивания на сайте www.portableapps.com.Ещё одним популярным направлением применения флеш-носителейявляется использование их в качестве загрузочных дисков.
В Интернетеможно найти немало установочных пакетов, позволяющих устанавливатьоперационные системы на флеш-носители. В рамках данного курса лекций99невозможно дать какие-либо дополнительные рекомендации по этому вопросу, поскольку создание таких пакетов сопряжено с изменением кодовых файлов операционной системы, что часто является нарушением законодательстваоб авторском праве.Однако, крайне важно помнить, что запуск и текущая работа операционной системы сопряжены с большим количеством операций чтения-записи.То есть, ресурс флеш-носителя, используемого в качестве загрузочного, вырабатывается гораздо больше, чем при использовании его только для хранения данных. Соответственно, хранить на нём критически важные данные категорически не рекомендуется.Если судить с точки зрения пирамидальной иерархии памяти, флешпамять находится как бы на параллельной ступени с жёсткими дисками.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
