LEKCJA

LEKCJA
TEMAT: Pamięci Flash.
1. Wymagania dla ucznia:
Uczeń po ukończeniu lekcji powinien:
 umieć omówić budowę i działanie pamięci Flash;
 umieć omówić rodzaje kart pamięci;
 umieć omówić budowę pendrive;
 umieć omówić dyski SSD.
2. Budowa i zasada działania pamięci Flash
W komórkach pamięci Flash do zapamiętywania informacji (zamiast tranzystora z
kondensatorem – pamięć DRAM) używa się dwóch tranzystorów. Jeden jest nazywany
bramką sterującą, drugi bramką pływającą. Bramka pływająca tworzy pułapkę, która
przy przyłożeniu napięcia potrafi łapać i przetrzymywać na stałe elektrony. Elektrony
schwytane w bramce pływającej oddziałują na pole elektryczne sąsiadującej z nią
bramką sterującej, a więc na przewodność komórki pamięci Flash. Im większy ładunek
tym przewodność komórki pamięci Flash spada. Tak można odróżnić od pustej komórki
której przewodność jest największa. Kasowanie pamięci polega na doprowadzeniu
napięcia tak dużego, że wyrzucane są elektrony z bramki pływającej, co skutkuje
wzrostem przewodności komórki pamięci. Układ pamięci Flash składa się z milionów
takich komórek.
Rys. Schemat zapisu w komórce pamięci Flash.
Komórki w układzie Flash mogą być ułożone i połączone na dwa różne sposoby.
Stosownie do tego wyróżnia się dwa typy pamięci Flash – NAND i NOR. W obu
zastosowano technologię bramki pływającej, lecz odmienną strukturę logiczną, a także
sposób odczytywania i zapisywania bitów. W najprostszej organizacji komórek pamięci
są one uporządkowane w wierszach i kolumnach. Kanały łączące ze sobą komórki
jednego wiersza są zwane liniami poziomymi lub liniami słowa (ang. word line),
natomiast komórki jednej kolumny są ze sobą połączone poprzez linie pionowe, tzw.
linie bitu (ang. bit line). W pamięciach typu NOR można adresować i odczytywać
pojedyncze komórki. W pamięci typu NAND odczyt odbywa się więc całymi wierszami
zwanymi stronami pamięci. Pamięć NAND znajduje zastosowanie w nośnikach pamięci
masowej. Nie można odwoływać się bezpośrednio do poszczególnych komórek pamięci,
lecz tylko do całych wierszy (stron pamięci).
Rys. Pamięć NAND
Nowoczesne technologie pozwalają zwiększać gęstość zapisu. Poprzez zastosowanie
różnych poziomów napięcia można uzyskiwać w jednej komórce pamięci kilka stanów
naładowania. W tym celu dzieli się ładunek bramki pływającej na kilka poziomów i
zależnie od przyłożonego napięcia zapisu gromadzi w niej określoną liczbę elektronów.
Takie komórki są określane mianem komórek wielopoziomowych (MLC, ang. Multi
Level Cell). W komórce, która potrafi rozróżnić osiem poziomów naładowania, można
zapisać aż trzy bity informacji. Tymczasem zwyczajna komórka znana pod pojęciem
komórki jednopoziomowej (SLC, ang. Single Level Cell) potrafi przechowywać tylko
jeden bit. Technologia MLC znajduje zastosowanie w ogólnie dostępnych dyskach
twardych SSD, kartach pamięci i kieszonkowej pamięci USB (pendrive). Tanie nośniki
MLC mają jednak znacznie krótszą żywotność – maksymalna liczba cykli zapisu jest w
nich znacznie niższa niż w pamięci SLC.
Tab. Porównanie MLC z SLC
Przewagą technologii MLC jest większa gęstość upakowania danych i, co bezpośrednio z
tego wynika, niższa cena w stosunku do pojemności. Natomiast wraz ze wzrostem liczby
stanów napięć, granice między poszczególnymi stanami się zawężają, co skutkuje
zwiększoną podatnością na błędy danych. Aby zredukować tak powstałe przekłamania
wymagane jest zastosowanie bardziej złożonego oprogramowania do obsługi
zapisu/odczytu.
Nowym rozwiązaniem są pamięci TLC (Triple Level Cell) – o wysokiej gęstości zapisu
danych, 3 bity w komórce. Są tanie, ale ich żywotność jest kilkukrotnie krótsza od cyklu
życia pamięci MLC.
Chcąc powstrzymać proces szybkiego starzenia się dysku i zapobiegać wczesnym
awariom komórek MLC, producenci stosują wbudowany kontroler równomiernie
rozdziela operacje zapisu na wszystkie strony pamięci, a więc na całą przestrzeń nośnika.
Oprócz tego dysponuje obszernym buforem, który pozwala układać dane przed zapisem
w uporządkowane struktury. Każde polecenie zapisu danych, które system operacyjny
wysyła do dysku SSD, jest optymalizowane przez wewnętrzne oprogramowanie
(firmware) urządzenia, a następnie rozkładane na różne strony pamięci. Metody, są
określane pojęciem równoważenia zużycia (ang. wear levelling). O niezawodności dysku
SSD w trakcie codziennej, nieprzerwanej pracy decyduje nie tylko jakość
półprzewodnikowych komórek pamięci, lecz także algorytmy zaimplementowane w
układzie logicznym kontrolera.
3. Budowa dysku
1 - Kontroler SATA to jeden z najważniejszych elementów SSD, który znacznie
wpływa na jego wydajność. Układ ten komunikuje się z pamięciami flash za
pomocą równoległych kanałów, kompresuje i dekompresuje dane oraz optymalizuje
pracę dysku w ten sposób, by działał nie tylko szybko, ale też bezawaryjnie.
2 - Pamięci NAND flash
3 - Bufor DRAM - spełnia funkcje bufora. Jest to odpowiednik pamięci podręcznej
w dysku twardym i to w niej przetrzymywane są dane, zanim zostaną zapisane w
pamięci flash. Tu znajdują się również informacje o zużyciu poszczególnych
komórek dysku SSD, zapewniające ich równomierną degradację.
4 - Złącze zasilania i interfejs danych (SATA, PCI Express, mSATA, M.2.)
4. Ustawienia z dyskiem SSD
 Wyłączenie indeksowania plików dla partycji ulokowanych na SSD. Funkcja ta
polega na tworzeniu spisu plików znajdujących się na dysku w celu przyspieszenia
ich wyszukiwania. Jednak dysk SSD nie ma głowicy jeżdżącej po talerzu i ma tak
samo szybki dostęp do wszystkich swoich komórek, zatem funkcja ta jest zbędna.
 Wyłączenie
defragmentacji, która sprawia, że pliki są porządkowane tak, by
znajdowały się możliwie blisko siebie. Proces ten może znacznie obciążyć dysk i
zmniejszyć jego żywotność.
 Włączenie w BIOS-ie tryb AHCI, który poprawia komunikację dysku z płytą główną.
Dzięki AHCI można podłączać dyski podczas pracy systemu i korzystać z funkcji
NCQ, która optymalizuje kolejność komend SATA w celu ich szybszego wykonania.
Oprócz tego NCQ może powstrzymać dysk przed kopiowaniem danych, które i tak
niebawem zostaną usunięte.
 Funkcja TRIM - to jedna z komend SATA, która informuje kontroler o wykorzystaniu
poszczególnych komórek pamięci. Głównym celem jest poprawa wydajności oraz
wyrównanie zużycia wszystkich komórek pamięci flash. Funkcji TRIM nie trzeba
specjalnie włączać. Dysk jest do niej po prostu dostosowany lub nie. Jedną z wad
funkcji TRIM jest to, że po skasowaniu plików dane są w ciągu kilku minut
całkowicie usuwane, by zwolnić komórki. Dlatego naprawdę cenne dane lepiej
trzymać na dyskach talerzowych.
5. Rodzaje kart pamięci:
SD (ang. Secure Digital) – jeden ze standardów kart pamięci. Karty SD charakteryzują
się niewielkimi wymiarami (24 × 32 × 2,1 mm) i masą (ok. 2 gramów). Poza grubością,
ich wymiary są identyczne jak kart MMC. Karty SD posiadają 9 wyprowadzeń oraz
rzadko używaną funkcję zabezpieczenia danych chronionych prawami autorskimi przed
kopiowaniem. Dodatkowo posiadają mały przełącznik zabezpieczający zapisane na
karcie dane przed przypadkowym skasowaniem. Dostępne są karty SD o pojemnościach:
od 8 MB do 4 GB (systemem plików FAT16), od 4 GB do 32 GB określane są jako
SDHC (system plików FAT32), Powyżej 32 GB (systemie plików exFAT)
Rys. Karta pamięci SD
CompactFlash (CF) – karta pamięci, w której zastosowano pamięć Flash EEPROM,
znalazła zastosowanie w takich urządzeniach jak aparaty cyfrowe, urządzenia
telekomunikacyjne i inne. Karta CompactFlash była pierwszą dostępną na rynku kartą
flash. Ma rozmiar 42,8 × 36,4 mm i grubość 3,3 mm (typ I) lub 5 mm (typ II). Zasilana
jest napięciem: 3,3 lub 5,0 V. Maksymalna prędkość transmisji danych wynosi 133
MB/s. Dodatkową cechą kart CF jest fakt, iż interfejs elektroniczny jest prawie
identyczny z interfejsem IDE stosowanych w komputerach osobistych do obsługi
dysków, umożliwia to stosowanie kart CompactFlash jako dysków o bardzo dużej
wytrzymałości mechanicznej, niskim poborze prądu oraz małym wydzielaniu ciepła,
Rys. Karta pamięci CF
SmartMedia (SM) – typ karty pamięci która wygląda jak miniaturowa dyskietka o
wymiarach 45x37x0,76 mm. Zasilana jest napięciem 3,3 V lub 5,0 V (starsze modele).
Posiada 22 styki do połączenia z urządzeniem obsługiwanym, standardowo jest to
cyfrowy aparat fotograficzny. Dostępne są moduły o pojemności do 128 MB. Obecnie
wycofana z produkcji z powodu niskich pojemności maksymalnych i zastąpiona innymi
kartami, np. xD.
Rys. Karta pamięci SM
Memory Stick (MS) – karta pamięci, w której zastosowano pamięć Flash EEPROM
opracowana przez firmę Sony. Używana głównie w aparatach cyfrowych Sony,
konsolach do gier PlayStation i telefonach komórkowych marki Sony Ericsson oraz
NEC. Wersja Memory Stick PRO charakteryzuje się zwiększoną prędkością przesyłu
danych oraz większą pojemnością. Wersja Memory Stick Duo oraz Memory Stick
PRO Duo to wersje kart pamięci, w których wielkość karty zredukowano o połowę.
Wersja Memory Stick Micro, zwana również M2, to miniaturowa wersja karty Memory
Stick – o rozmiarach prawie czterokrotnie mniejszych od standardowej. Używana jest
ona w telefonach Sony Ericsson.
Parametry:
- pojemność: 4 – 256 MB (Standard/Duo), 64 MB - 32 GB (PRO/PRO Duo), 64MB –
32GB (Micro (M2)
Rys. Karta pamięci Memory Stick PRO Duo oraz Memory Stick PRO
MultiMedia Card (MMC) - karta pamięci nieulotnej typu flash o rozmiarach 24 × 32
× 1,4 mm. Karta odznacza się wysoką wytrzymałością na warunki zewnętrzne. W
odróżnieniu od kart SD karty MMC charakteryzują się brakiem przełącznika
zabezpieczania danych przed zapisem.
Karty MMC mają zastosowanie w różnego rodzaju elektronicznych urządzeniach
przenośnych, takich jak: cyfrowe aparaty fotograficzne, telefony komórkowe,
odtwarzacze MP3, palmtopy
Rys. Karty pamięci MMC
Karta pamięci xD - (ang. xD Picture Card) karta pamięci flash stosowana głównie w
aparatach cyfrowych Olympus i Fujifilm. xD jest skrótem od extreme Digital. Z kart
pamięci xD korzystają cyfrowe aparaty fotograficzne, cyfrowe dyktafony, odtwarzacz
MP3. W obecnej chwili są dostępne w pojemnościach 16 MB do 2 GB. Karta ma
wymiary 20mm × 25 mm × 1.78 mm i waży 2.8 g.
Rys. Karta pamięci xD.
6. Parametry dysków SSD
• pojemność – np. 120 GB
• format szerokości – np. 2.5 cala
• interfejs – np. Serial ATA III
• szybkość odczytu – np. 555 MB/s
• szybkość zapisu – np. 540 MB/s
• wytrzymałość w czasie pracy – np. 1500 G
• wytrzymałość w czasie spoczynku - 1500 G
• niezawodność MTBF – np. 2000000 godz.