Компьютер на флешке. Работающие Windows, Linux, Офис и 150 самых полезных программ у вас в кармане - [2]
Рис. 1.3. Стандартная форма флешек
На практике организация NAND-памяти подразумевает, что к ее ячейкам можно адресоваться лишь последовательно. Для компенсации временных задержек, вызванных «групповым» характером операции, используется внутренний кэш адекватной емкости. При записи в транзисторах архитектуры NAND используется туннельная инжекция электронов, а при стирании — их туннельное высвобождение. Это позволяет уменьшить энергопотребление. Емкость микросхем составляет от 500 Кбит до 8 Мбит.
В микросхемах флеш-памяти обоих типов логические элементы объединяются в блоки (по 128 Кбит в NOR и 8 Кбит в NAND). В NAND-чипах ячейки предварительно группируются в «страницы» размером по 256 или 512 байт. В каждой из них по 16 байт отводится под служебную область, где хранятся метаданные и коды коррекции ошибок.
В новой флеш-памяти NOR StrataFlash, разработанной Intel, используются многоуровневые ячейки (MLC, Multi-Level Cell), каждая из которых может хранить по 2 или 4 бит. Для этого заряд условно делится на несколько логически значимых уровней, каждому из которых соответствует определенная комбинация значений булевой логики («истина»/«ложь», т.е. 1/0). Теоретически можно прочитать и записать до 6–8 бит, но на практике при столь большом числе уровней возникают проблемы с паразитными шумами и утечкой заряда при длительном хранении.
Одновременно с Intel компания AMD, известная на заре своего развития именно как производитель флеш-памяти, разработала новую технологию MicroBit для реализации в чипах архитектуры NAND, благодаря которой емкость ячеек можно увеличить вдвое. Решение, по сути дела, простое: плавающий затвор ячейки (полевого транзистора), хранящей заряд, физически делится на два независимых друг от друга элемента конструкции. Таким образом, вместо одной ячейки хранения память имеет дело сразу с двумя.
По сравнению с обычным жестким диском флешки имеют несколько принципиальных отличий. Для начала стоит отметить, что запись на флешку возможна только на предварительно стертые (зачищенные) ячейки. В случае же с жестким диском вполне обычна перезапись данных, когда одни данные записываются поверх других. Думаю, ни для кого не секрет, что когда вы удаляете какой-либо файл, он по-прежнему остается на жестком диске, просто информация о нем стирается из таблицы файловой системы, и он становится как бы невидимым. Отсюда и существование так называемых программ-восстановителей удаленных файлов. Они просто возвращают запись в таблицу файловой системы.
Из-за необходимости предварительной зачистки (стирания) ячеек, для флешек существует некоторая путаница с порциями данных: битом, байтом, блоком чтения/записи и областью стирания. Байт — минимальная величина записанной информации; а блок — минимальное количество байт, которые можно прочесть из памяти за один цикл обращения. Область стирания есть совокупность ячеек, содержимое которых стирается за одну операцию. Минимальной же единицей хранения информации на жестком диске является сектор. Так вот, порции данных флешки (блоки, область стирания), как правило, не совпадают по размеру с сектором жесткого диска. Во избежание несовместимости операционная система реализует как бы виртуальные сектора для флешек, которые фактически формируются блоками чтения/записи, на которые в частности разбивается и область стирания.
Наконец, необходимо отметить, что флеш-память, в отличие от жесткого диска, выдерживает ограниченное количество циклов записи-стирания. В то время как для жесткого диска его долговечность зависит от механической износостойкости. Технологически в идеале возможна практически неограниченная эксплуатация (знай себе намагничивай и размагничивай). Для разных флешек число повторных стираний варьируется примерно от 100 тыс. до 1 млн. Чтобы оценить эти цифры, представьте, что каждый день, 365 дней в году вы будете по 100 раз на дню мучить свою флешку. Так вот, даже при наихудшем прогнозе вам должно хватить ее на три года. Бывают, конечно, исключения (брак, неправильная эксплуатация), но в целом именно так.
По мере приближения к предельному значению циклов чтения/записи ячейка флеш-памяти начинает все хуже и хуже «себя вести»: либо запись происходит с ошибкой, либо блок не поддается стиранию с первой попытки. В результате вскоре блок помечается как дефектный и не участвует уже более в работе флешки.
Отсюда наиболее распространенным способом продления срока жизни флешки является технология управления ее износом (Wear Leveling Control), суть которой состоит в том, чтобы обеспечить наиболее равномерное использование ячеек флеш-памяти путем равномерного распределения циклов чтения/записи по разным блокам.
Что касается контроля надежности хранения информации на флешке, то он производится непосредственно во время записи: встроенный механизм соотносит сохраненную информацию с исходной с помощью компаратора. Возможна также дополнительная проверка. Все зависит от того, какие технологии заложил производитель в свои изделия.
Файловая система флеш-памяти (Flash File System, FFS) состоит из модулей управления пространством, «сборкой мусора», износом и интерфейсом, а также блока инициализации. Общение ОС с флеш-накопителем начинается с вызова дискового прерывания (IRQ14), которое активизирует накопитель. Если запрашивается чтение сектора данных, то происходит преобразование его координат в адрес физического блока памяти. Затем происходит выборка соответствующего кристалла, собственно считывание данных и их передача в буфер ОС [1].
