Что такое флеш-память. Преобразование двоичного образа в образ NAND. Типы флэш-памяти NAND

Потребность в энергонезависимой флэш-памяти растет пропорционально степени продвижения компьютерных систем в сферу мобильных приложений. Надежность, малое энергопотребление, небольшие размеры и незначительный вес являются очевидными преимуществами носителей на основе флэш-памяти в сравнении с дисковыми накопителями. С учетом постоянного снижения стоимости хранения единицы информации в флэш-памяти, носители на её основе предоставляют все больше преимуществ и функциональных возможностей мобильным платформам и портативному оборудованию, использующему такую память. Среди многообразия типов памяти, флэш-память на основе ячеек NAND является наиболее подходящей основой для построения энергонезависимых устройств хранения больших объемов информации.

В настоящее время можно выделить две основных структуры построения флэш-памяти: память на основе ячеек NOR и NAND. Структура NOR (рис.1) состоит из параллельно включенных элементарных ячеек хранения информации. Такая организация ячеек обеспечивает возможность произвольного доступа к данным и побайтной записи информации. В основе структуры NAND (рис.2) лежит принцип последовательного соединения элементарных ячеек, образующих группы (в одной группе 16 ячеек), которые объединяются в страницы, а страницы – в блоки. При таком построении массива памяти обращение к отдельным ячейкам невозможно. Программирование выполняется одновременно только в пределах одной страницы, а при стирании обращение производится к блокам или к группам блоков.

рис.1 Структура NOR	рис.2 Структура NAND

В результате различия в организации структуры между памятью NOR и NAND находят свое отражение в их характеристиках. При работе со сравнительно большими массивами данных процессы записи/стирания в памяти NAND выполняются значительно быстрее памяти NOR. Поскольку 16 прилегающих друг другу ячеек памяти NAND соединены последовательно друг с другом без каких-либо контактных промежутков, достигается высокая площадь размещения ячеек на кристалле, что позволяет получить большую емкость при одинаковых технологических нормах. В основе программирования флэш-памяти NAND лежит процесс туннелирования электронов. А поскольку он используется как для программирования, так и для стирания, достигается низкое энергопотребление микросхемы памяти. Последовательная структура организации ячеек позволяет получить высокую степень масштабируемости, что делает NAND-флэш лидером в гонке наращивания объемов памяти. Ввиду того, что туннелирование электронов осуществляется через всю площадь канала ячейки, интенсивность захвата заряда на единицу площади у NAND-флэш ниже, чем в других технологиях флэш-памяти, в результате чего она имеет более высокое количество циклов программирования/стирания. Программирование и чтение выполняются посекторно или постранично, блоками по 512 байт, для эмуляции общераспространенного размера сектора дисковых накопителей.

Основные отличия в параметрах флэш-памяти, изготовленной по различным технологиям, приведены в таблице 1.

Таблица 1. Сравнительные характеристики модулей памяти на основе ячеек NAND и NOR

Ведущим лидером в производстве NAND-флэш микросхем является фирма Hynix. Она производит несколько разновидностей микросхем памяти, различающихся по следующим ключевым параметрам:

• емкость (256 Мбит, 512 Мбит и 1 Гбит);
• ширина шины, 8 или 16 бит (х8, х16);
• напряжение питания: от 2.7 до 3.6 В (3.3 В устройства) или от 1.7 до 1.95 В (1.8 В устройства);
• размер страницы: в х8 устройствах (512 + 16 запасных) байт, в 16х – (256 + 8 запасных) слов;
• размер блока: в х8 устройствах (16 К + 512 запасных) байт, в 16х – (8 К + 256 запасных) слов;
• время доступа: случайный доступ 12 мкС, последовательный 50 нС;
• время программирования страницы 200 мкС;

Все микросхемы NAND-флэш от Hynix характеризуются типичным временем стирания блока 2 мС, имеют аппаратную защиту данных при переходных процессах по питанию и позволяют выполнять 100000 циклов записи/стирания. Гарантированное время сохранности данных составляет 10 лет. Важной особенностью микросхем памяти Hynix является их повыводная совместимость вне зависимости от емкости. Это позволяет очень легко улучшать потребительские характеристики конечного изделия. В таблице 2 приведены базовые параметры всех микросхем NAND-флэш фирмы Hynix.

Таблица 2. Сравнительный перечень микросхем NAND-флэш фирмы Hynix

* - Диапазоны температур
C - Коммерческий диапазон рабочих температур 0...+70°C
E - Расширенный диапазон рабочих температур -25...+85°C
I - Индустриальный диапазон рабочих температур -40...+85°C

Более детально особенности микросхем памяти Hynix можно рассмотреть на примере кристаллов серии HY27xx(08/16)1G1M. На рис.3 показана внутренняя структура и назначение выводов этих приборов. Линии адреса мультиплексированы с линиями ввода/вывода данных на 8-ми или 16-ти разрядной шине ввода/вывода. Такой интерфейс уменьшает количество используемых выводов и делает возможным переход к микросхемам большей емкости без изменения печатной платы. Каждый блок может быть запрограммирован и стерт 100000 раз. Для увеличения жизненного цикла NAND-флэш устройств настоятельно рекомендуется применять код корректировки ошибок (ECC). Микросхемы имеют выход «чтение/занят» с открытым стоком, который может использоваться для идентификации активности контроллера PER (Program/Erase/Read). Поскольку выход сделан с открытым стоком, существует возможность подключать несколько таких выходов от разных микросхем памяти вместе через один «подтягивающий» резистор к положительному выводу источника питания.

Рис.3 Внутренняя организация микросхем NAND-флэш Hynix

Для оптимальной работы с дефектными блоками доступна команда «Copy Back». Если программирование какой-либо страницы оказалось неудачным, данные по этой команде могут быть записаны в другую страницу без их повторной отправки.

Микросхемы памяти Hynix доступны в следующих корпусах:

• 48-TSOP1 (12x20x1.2 мм) – рис.4;
• 48-WSOP1 (12х12х0.7 мм)
• 63-FBGA (8.5х15х1.2 мм, 6х8 массив шаровых контактов, 0.8 мм шаг)

Рис.4 NAND-флэш Hynix

Массив памяти NAND-структуры организован в виде блоков, каждый из которых содержит 32 страницы. Массив раздел на две области: главную и запасную (рис.5). Главная область массива используется для хранения данных, в то время как запасная область обычно задействована для хранения кодов коррекции ошибок (ECC), программных флагов и идентификаторов негодных блоков (Bad Block) основной области. В устройствах х8 страницы в главной области разделены на две полустраницы по 256 байт каждая, плюс 16 байт запасной области. В устройствах х16 страницы разделены на главную область объемом 256 слов и запасную объемом 8 слов.

Рис.5 Организация массива NAND-памяти

NAND-флэш устройства со страницами 528 байт / 264 слова могут содержать негодные блоки, в которых может быть одна и более неработоспособных ячеек, надежность которых не гарантируется. Помимо этого, дополнительные негодные блоки могут появиться в ходе эксплуатации изделия. Информация о плохих блоках записывается в кристалл перед отправкой. Работа с такими блоками выполняется по процедуре, детально описанной в справочном руководстве по микросхемам памяти Hynix.

При работе с микросхемами памяти выполняются три основных действия: чтение (рис.6), запись (рис.7) и стирание (рис.8).

Процедура чтения данных

Рис.6 Диаграмма процедуры чтения

Процедуры чтения данных из NAND-памяти могут быть трех типов: случайное чтение, постраничное чтение и последовательное построчное чтение. При случайном чтении для получения одной порции данных нужна отдельная команда.

Чтение страницы выполняется после доступа в режиме случайного чтения, при котором содержимое страницы переносится в буфер страницы. О завершении переноса информирует высокий уровень на выход «Чтение/занят». Данные могут быть считаны последовательно (от выбранного адреса столбца до последнего столбца) по импульсу сигнала на Read Enable (RE).

Режим последовательного построчного чтения активен, если на входе Chip Enable (CE) остается низкий уровень, а по входу Read Enable поступают импульсы после прочтения последнего столбца страницы. В этом случае следующая страница автоматически загружается в буфер страниц и операция чтения продолжается. Операция последовательного построчного чтения может использоваться только в пределах блока. Если блок изменяется, должна быть выполнена новая команда чтения.

Процедура записи данных

Рис.7 Диаграмма процедуры записи

Стандартной процедурой записи данных является постраничная запись. Главная область массива памяти программируется страницами, однако допустимо программирование части страницы с необходимым количеством байт (от 1 до 528) или слов (от 1 до 264). Максимальное число последовательных записей частей одной и той же страницы составляет не более одной в главной области и не более двух в резервной области. После превышения этих значений необходимо выполнить команду стирания блока перед любой последующей операцией программирования этой страницы. Каждая операция программирования состоит из пяти шагов:

1. Один цикл на шине необходим для настройки команды записи страницы.
2. Четыре шинных цикла требуются для передачи адреса.
3. Выдача данных на шину (до 528 байт / 264 слов) и загрузка в буфер страниц.
4. Один цикл на шине необходим для выдачи команды подтверждения для старта контроллера PER.
5. Выполнение контроллером PER записи данных в массив.

Процедура стирания блока

Рис.8 Диаграмма процедуры стирания

Операция стирания выполняется за один раз над одним блоком. В результате её работы все биты в указанном блоке устанавливаются в «1». Все предыдущие данные оказываются утерянными. Операция стирания состоит из трех шагов (рис.8):

1. Один цикл шины необходим для установки команды стирания блока.
2. Только три цикла шины нужны для задания адреса блока. Первый цикл (A0-A7) не требуется, поскольку верны только адреса с А14 по А26 (старшие адреса), А9-А13 игнорируются.
3. Один цикл шины необходим для выдачи команды подтверждения для старта контроллера PER.

Помимо Hynix микросхемы NAND-памяти выпускаются еще несколькими производителями, среди которых весьма большую номенклатуру и объем продаж изделий имеет компания Samsung. Она производит две базовые линейки микросхем памяти NAND Flash и One NAND™. Модули памяти семейства One NAND™ представляют собой одиночный кристалл памяти со стандартным интерфейсом NOR-флэш, основанный на массиве ячеек NAND-флэш.

Ассортимент выпускаемых компанией Samsung изделий более широк, чем у Hynix. Представлены модули емкостью от 4 Мбит до 8 Гбит, работающие в коммерческом и индустриальном температурных диапазонах. Доступны как 8-ми, так и 16-разрядные модификации на разные диапазоны питающих напряжений: 1,65…1,95 В или 2,7…3,6 В. Выпускаемые Samsung изделия имеют развитые аппаратные возможности защиты данных: защиту от записи для BootRAM, защитный режим для Flash-массива и защиту от случайной записи при включении и выключении.

В остальном устройство микросхем памяти Hynix и изделий семейства NAND Flash от Samsung практически идентично. В этой ситуации предпочтительным для потребителя вариантом является продукция того производителя, рыночная стоимость изделий которого наиболее приемлема.

Высокое быстродействие при считывании последовательных потоков данных предопределяет широкую сферу применимости NAND-флэш. Весьма популярным и перспективным рынком для памяти такого типа является рынок твердотельных накопителей для шины USB. В таблице 3 отражены возможности производимых в настоящее время микросхем NAND-флэш применительно к этой сфере. Помимо этого, наиболее выгодным оказывается использование такой памяти в MP3-плеерах, цифровых фотоаппаратах, компьютерах - наладонниках и в другом подобном оборудовании.

Таблица 3. Преимущества и недостатки использования NAND-флэш в твердотельных накопителях

Что такое флеш-память? | Флеш-память (на англ. Flash Memory ) или флеш-накопитель - вид твердотельной полупроводниковой энергонезависимой и перезаписываемой памяти.

Данный вид памяти может быть прочитан большое количество раз в пределах срока хранения информации, обычно от 10 до 100 лет. Но производить запись в память можно лишь ограниченное число раз (обычно в районе миллиона циклов). В основном в мире распространена флеш память, выдерживающая около ста тысяч циклов перезаписи и это гораздо больше, чем способна выдержать обычная дискета или диск CD-RW.
В отличие от накопителей на жестких дисках (HDD), флеш-память не содержит подвижных механических частей, и поэтому считается более надёжным и компактным видом носителя информации.
Так, благодаря своей компактности, относительной дешевизне и очень низкому энергопотреблению, флеш-накопители широко применяется в цифровом портативном оборудовании – в видео- и фотокамерах, в диктофонах, в MP3-плеерах, в КПК, в мобильных телефонах, смартфонах и коммуникаторах. Более того, данный вид памяти применяется для хранения встроенного ПО в различном оборудовании (модемы, мини-АТС, сканеры, принтеры, маршрутизаторы).
В последнее время широкое распространение получили флеш-накопители с USB входом (обычно говорят «флешка», USB-диск), вытеснившие дискеты и CD-диски.
В наше время основным недостатком устройств на базе флеш-накопителей, является очень высокое соотношение цена-объём, намного превышающий в сравнении с жесткими дисками в 2–5 раз. Поэтому объёмы флеш-дисков не очень велики, но в этих направлениях ведутся работы. Удешевляя технологический процесс и под действием конкуренции, уже многие фирмы заявили о выпуске SSD-дисков объёмом 512 ГБ и более. Например, в феврале 2011 года компания OCZ Technology предложила PCI-Express SSD-накопитель ёмкостью 1,2 ТБ, и позоляющий производить 10 млн. циклов на запись.
Современные SSD-накопители разрабатываются на базе многоканальных контроллеров, обеспечивающих параллельное чтение или запись сразу из нескольких микропроцессоров флеш-памяти. В следствие этого уровень производительности увеличился во столько раз, что ограничивающим фактором стала пропускная способность интерфейса SATA II.

КАК РАБОТАЕТ ФЛЕШ-ПАМЯТЬ

Флеш-накопитель сохраняет данные в массиве состоящий из транзисторов с плавающим затвором, называемые ячейками (на англ. cell). В обычных устройствах с одноуровневыми ячейками (на англ. single-level cell), любая из них может "запомнить" только один бит данных. Но некоторые более новые чипы с многоуровневыми ячейками (на англ. multi-level cell или triple-level cell) могут "запомнить" больше одного бита. В последнем случае на плавающем затворе транзистора может используется разный электрический заряд.

NOR ФЛЕШ-ПАМЯТЬ (NOR FLASH MEMORY)

В основе данного типа флеш-памяти лежит алгоритм ИЛИ-НЕ (на англ. NOR), так как в транзисторе с плавающим затвором слишком малое напряжение на затворе обозначает единицу.
Данный тип транзистора состоит из двух затворов: плавающего и управляющего. Первый затвор полностью изолирован и имеет возможность удерживать электроны до десяти лет. Ячейка также состоит из стока и истока. При подаче напряжения на управляющий затвор образуется электрическое поле и возникает так называемый туннельный эффект. Большая часть электронов переносится (туннелирует) через слой изолятора и проникает на плавающий затвор. Заряд на плавающем затворе транзистора изменяет «ширину» сток-исток и проводимость канала, что используется при чтении.
Запись и чтение ячеек очень сильно различаются в энергопотреблении: так, флеш-накопители потребляют больше тока при записи, чем при чтении (потребляется очень мало энергии).
Для удаления (стирания) данных на управляющий затвор подаётся достаточно высокое отрицательное напряжение, что приводит к обратному эффекту (электроны с плавающего затвора с помощью туннельного эффекта переходят на исток).
В NOR-архитектуре существует необходимость подводить к каждому транзистору контакт, что сильно увеличивает размеры процессора. Эта проблема решается с помощью новой NAND-архитектуры.

NAND ФЛЕШ-ПАМЯТЬ (NAND FLASH MEMORY)

В основе NAND-архитектуры лежит И-НЕ алгоритм (на англ. NAND). Принцип работы аналогичен NOR-типу, и отличается только расположением ячеек и их контактов. Уже нет необходимости подводить контакт к каждой ячейке памяти, так что стоимость и размер NAND-процессора значительно меньше. За счет этой архитектуры, запись и стирание происходят заметно быстрее. Однако эта технология не позволяет обращаться к произвольной области или ячейке, как в NOR.
Для достижения максимальной плотности и емкости, флеш-накопитель, изготовленный по технологии NAND, использует элементы с минимальными размерами. Поэтому, в отличие от NOR-накопителя допускается наличие сбойных ячеек (которые блокируются и не должны быть использованы в дальнейшем), что заметно усложняет работу с такой флеш-памятью. Более того, сегменты памяти в NAND снабжаются функцией CRC для проверки их целостности.
В настоящее время NOR и NAND-архитектуры существуют параллельно и никак не конкурируют друг с другом, поскольку у них разная область применения. NOR используется для простого хранения данных малого объема, NAND - для хранения данных большого размера.

ИСТОРИЯ ФЛЕШ-НАКОПИТЕЛЕЙ

Впервые флеш-память была изобретена в 1984 году инженером Фудзио Масуокой (Fujio Masuoka) работающего в то время в компании Toshiba. Название «flash» было придумано его коллегой Фудзио, Сёдзи Ариидзуми (Shoji Ariizumi), так как процесс стирания данных из памяти напомнил ему фотовспышку (на англ. flash). Фудзио представил свою разработку на Международном семинаре по электронным устройствам (International Electron Devices Meeting), в Сан-Франциско, в Калифорнии. Компанию Intel заинтересовало данное изобретение и через четыре года в 1988 году она выпустила первый коммерческий флеш-процессор NOR-типа.
NAND-архитектура флеш-памяти была анонсирована спустя год компанией Toshiba в 1989 году на Международной конференции построения твердотельных схем (International Solid-State Circuits Conference). У NAND-чипа была больше скорость записи и меньше площадь схемы.
В конце 2010 года, лидерами по производству флеш-накопителей являются Samsung (32% рынка) и Toshiba (17% рынка).
Стандартизацией процессоров флеш-памяти NAND-архитектуры занимается группа ONFI (NAND Flash Interface Working Group). Настоящим стандартом считается спецификация ONFI 1.0, выпущенная 28 декабря 2006 года. Стандартизацию ONFI при производстве NAND-процессоров поддерживают такие компании, как Samsung, Toshiba, Intel, Hynix и др.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ФЛЕШ-НАКОПИТЕЛЕЙ

В настоящее время объём флеш-накопителей измеряется от килобайт до сотен гигабайт.

В 2005 году две компании Toshiba и SanDisk представили NAND-процессоры общим объёмом 1 Гб, использующие технологию многоуровневых ячеек (транзистор может хранить несколько бит данных, используя различный электрический заряд на плавающем затворе).

В сентябре 2006 года компания Samsung представила 4-гигабайтный чип, изготовленный по 40-нм технологическому процессу.

В конце 2007 года Samsung известила о создании первого в мире NAND-чипа, использующего технологию многоуровневых ячеек, выполненного уже по 30-нм технологическому процессу с ёмкостью накопителя 8 Гб.

В декабре 2009 года, компания Toshiba заявила, что 64 Гб NAND-чип уже поставляется заказчикам и массовый выпуск начался в первом квартале 2010 года.

16 июня 2010 года Toshiba представила первый в истории 128 Гб процессор, состоящий из шестнадцати модулей по 8 Гб.
Для повышения объёма флеш-памяти, в устройствах часто применяется комплексный массив, состоящий из нескольких процессоров.

В апреле 2011 года компании Intel и Micron представили MLC NAND флэш-чип емкостью 8 Гбайт, произведенного по 20-нм технологическому процессу. Самый первый 20-нм NAND процессор имеет площадь 118 мм, что на 35-40% меньше, чем у доступных в настоящее время 25-нм чипов на 8 Гбайт. Серийное производство данного чипа начнется в конце 2011 года.

ВИДЫ И ТИПЫ КАРТ ПАМЯТИ И ФЛЕШ-НАКОПИТЕЛЕЙ

CF (на англ. Compact Flash ): один из старейших стандартов типов памяти. Первая CF флеш-карта была произведена корпорацией SanDisk еще в 1994 году. Данный формат памяти очень распространён и в наше время. Чаще всего он применяется в профессиональном видео- и фото-оборудовании, так как ввиду своих больших размеров (43х36х3,3 мм) слот для Compact Flash физически проблематично установить в мобильные телефоны или MP3-плееры. Кроме того, ни одна карта не может похвастаться такими скоростями, объемами и надежностью. Максимальный объём Compact Flash уже достиг размера в 128 Гбайт, а скорость копирования данных увеличена до 120 Мбайт/с.

MMC (на англ. Multimedia Card ): карта в формате MMC имеет небольшой размер - 24х32х1,4 мм. Разработана совместно компаниями SanDisk и Siemens. MMC содержит контроллер памяти и обладает высокой совместимостью с устройствами самого различного типа. В большинстве случаев карты MMC поддерживаются устройствами со слотом SD.

RS-MMC (на англ. Reduced Size Multimedia Card ): карта памяти, которая вдвое меньше по длине стандартной карты MMC. Её размеры составляют 24х18х1,4 мм, а вес - порядка 6 гр., все остальные характеристики и параметры не отличаются от MMC. Для обеспечения совместимости со стандартом MMC при использовании карт RS-MMC нужен адаптер.

DV-RS-MMC (на англ. Dual Voltage Reduced Size Multimedia Card ): карты памяти DV-RS-MMC с двойным питанием (1,8 и 3,3 В) отличаются пониженным энергопотреблением, что позволит работать мобильному телефону немного дольше. Размеры карты совпадают с размерами RS-MMC, 24х18х1,4 мм.

MMCmicro : миниатюрная карта памяти для мобильных устройств с размерами 14х12х1,1 мм. Для обеспечения совместимости со стандартным слотом MMC необходимо использовать специальный переходник.

SD Card (на англ. Secure Digital Card ): поддерживается фирмами SanDisk, Panasonic и Toshiba. Стандарт SD является дальнейшим развитием стандарта MMC. По размерам и характеристикам карты SD очень похожи на MMC, только чуть толще (32х24х2,1 мм). Основное отличие от MMC - технология защиты авторских прав: карта имеет криптозащиту от несанкционированного копирования, повышенную защиту информации от случайного стирания или разрушения и механический переключатель защиты от записи. Несмотря на родство стандартов, карты SD нельзя использовать в устройствах со слотом MMC.

SDHC (на англ. SD High Capacity , SD высокой ёмкости ): Старые карты SD (SD 1.0, SD 1.1) и новые SDHC (SD 2.0) и устройства их чтения различаются ограничением на максимальную ёмкость носителя, 4 Гб для SD и 32 Гб для SDHC. Устройства чтения SDHC обратно совместимы с SD, то есть SD-карта будет без проблем прочитана в устройстве чтения SDHC, но в устройстве SD карта SDHC не будет читаться вовсе. Оба варианта могут быть представлены в любом из трёх форматов физических размеров (стандартный, mini и micro).

miniSD (на англ. Mini Secure Digital Card ): От стандартных карт Secure Digital отличаются меньшими размерами 21,5х20х1,4 мм. Для обеспечения работы карты в устройствах, оснащённых обычным SD-слотом, используется адаптер.

microSD (на англ. Micro Secure Digital Card ): в 2011 году являются самыми компактными съёмными устройствами флеш-памяти (11х15х1 мм). Используются, в первую очередь, в мобильных телефонах, коммуникаторах и т. п., так как, благодаря своей компактности, позволяют существенно расширить память устройства, не увеличивая при этом его размеры. Переключатель защиты от записи вынесен на адаптер microSD-SD. Максимальный объём карты microSDHC, выпущенной SanDisk в 2010 году, равен 32 Гб.

Memory Stick Duo : данный стандарт памяти разрабатывался и поддерживается компанией Sony. Корпус достаточно прочный. На данный момент - это самая дорогая память из всех представленных. Memory Stick Duo был разработан на базе широко распространённого стандарта Memory Stick от той же Sony, отличается малыми размерами (20х31х1,6 мм).

Memory Stick Micro (M2) : данный формат является конкурентом формата microSD (по размеру), сохраняя преимущества карт памяти Sony.

xD-Picture Card : карта используются в цифровых фотоаппаратах фирм Olympus, Fujifilm и некоторых других.

Для успешной работы с микросхемами NAND FLASH (нанд флэш) необходимо, как минимум:

Иметь представление о структуре NAND FLASH (нанд флэш), существующих способах и алгоритмах использования информации хранимой в такой памяти.

Иметь программатор, который корректно поддерживает работу с памятью NAND Flash т.е. позволяет выбрать и реализовать необходимые параметры и алгоритмы обработки.

Программатор для NAND FLASH должен быть очень быстрым . Программирование или чтение микросхемы обьемом в несколько Гбит на обычном программаторе по времени занимает несколько часов. Очевидно, что для более или менее регулярного программирования NAND Flash нужен специализированный быстрый программатор, адаптированный для работы с мс. высокой плотности. На сегодняшний день, самый быстрый программатор Flash NAND - ChipProg-481.

Программирование NAND FLASH на программаторах ChipProg

При работе с NAND Flash программатор предоставляет широкий спектр возможностей по выбору/настройке способов и параметров программирования. Все параметры влияющие на алгоритм работы программатора с микросхемой, выводятся в окно "Редактор параметров микросхемы и алгоритма программирования". При необходимости, любой из этих параметров может быть изменен, с тем что бы выбранное действие (программирование, сравнение, чтение, стирание) - производилось по алгоритму необходимому пользователю программатора.

Окно "Редактор параметров микросхемы и алгоритма программирования" в интерфейсе программатора при программировании NAND Flash .

Большое количество настраиваемых параметров, формирующих алгоритм работы программатора NAND Flash продиктовано желанием предоставить универсальный инструмент, позволяющий пользователю максимально полно реализовать все особенности присущие структуре NAND Flash . Для облегчения жизни, программаторы ChipProg-481 предоставляют следующие возможности при выборе любой микросхемы NAND Flash :

• Все параметры принимают значения заданные в предшествующем сеансе (сессии) программирования выбранной NAND Flash . (количество сохраненных сессий неограниченно).
• Все параметры принимают значения заданные для данной NAND Flash в рамках "проекта" (количество "проектов" неограниченно)
• Все параметры автоматически принимают необходимые значения после запуска "скрипта". "Скрипты" пишутся на встроенном в оболочку программатора C подобном языке.
• Все (или выборочно) параметры принимают значения по умолчанию.
• Значения всех параметров доступны для редактирования в графическом интерфейсе программатора.

Рассмотрим режимы и параметры программирования реализованные в программаторе.

Режимы программирования.

1. Invalid Block Management
   
2. Spare Area Usage
3. Guard Solid Area
4. Tolerant Verify Feature
5. Invalid Block Indication Option

1. Работа с плохими блoками .

Перед программированием NAND Flash можно/нужно выбрать один из способов работы с плохими блоками.

2. Использование области Spare Area.

3. Guard Solid Area

Режим использования специальной области без плохих блoкoв. Обычно такие области используются в качестве загрузчиков микропроцессоров. В этой области недопустимо использование плoxих блoкoв.
Опция используется совместно с параметрами:

• Solid Area - Start Block - начальный блoк области без плoxих блoкoв.
• - количество блoкoв в этой области.

В случае, если внутри заданного диапазона Solid Area попадется плохой блoк, программатор выдаст ошибку.

4. Не чувствительность к ошибкам сравнения.

Эта опция позволяет включить режим не чувствительности к ошибкам сравнения.
Обычно, эту опцию имеет смысл использовать, если в устройстве пользователя применяются алгоритмы контроля и коррекции ошибок (ECC). В этих случаях допускается наличия определенного количества ошибок на определенный размер массива данных. Эти параметры и указываются в параметрах алгоритма программирования NAND Flash :

• ECC Frame size (bytes) - размер массива данных.
• Acceptable number of errors - допустимое количество однобитных ошибок.

5. Invalid Block Indication Option.

В этой опции выбирается информация, которая используется в качестве маркера плохих блоков. Допускается выбрать либо значение 00h, либо 0F0h.

• IB Indication Value ~ 00 или F0

Параметры программирования.

1. User Area
2. Solid Area
3. RBA Area
4. ECC Frame size
5. Acceptable number of errors

a. Пользовательская область.

Пользовательская область - это область микросхемы, с которой работают процедуры Программирования, Чтения и Сравнения.
Процедуры Стирания и Контроля на чистоту работают со всем массивом микросхемы.

Пользователю необходимо установить параметры:

• User Area - Start Block - начальный блoк пользовательской области.
• User Area - Number of Blocks - количество блoков в пользовательской области.

b. Область без ошибок.

Параметры режима Guard Solid Area.

• Solid Area - Start Block - начальный блoк области без плoхих блоков.
• Solid Area - Number of Blocks - количество блоков в этой области.

c. Область размещения RBA.

• RBA Area - Start Block - начальный блок таблицы RBA.
• RBA Area - Number of Blocks - количество блоков в таблице RBA.

d. Размер фрейма ECC .

• ECC Frame Size - параметр определяющий размер массива данных, в котором допускаются однобитные ошибки.

e. Допустимое количество ошибок .

• Acceptable number of errors - параметр определяет количество однобитных ошибок, допустимых в массиве, размер, которого определяется параметром ECC Frame size.

Карта плохих блоков

Карта плохих блоков создается в подслое Invalid Block Map. Карта блоков представляется как непрерывный массив бит. Хорошие блоки представляются значением 0, плохие блоки - 1.

Например, значение 02h по нулевому адресу говорит о том, что 0,2,3,4,5,6,7 блоки являются хорошими, 1-ый блок является плохим. Значение 01h по первому адресу говорит о том, что только 8-ой блок является плохим из группы блоков 8..15.

Копирование NAND Flash

В качестве иллюстрации важности "зрячего" выбора режимов и параметров при программировании NAND Flash в программаторе, рассмотрим ситуацию, при которой у некоторых программистов возникают проблемы. Чаще всего, это замена NAND Flash в "устройстве", которое перестало работать. Стандартный подход - по аналогии с заменой обычной микросхемы памяти:

1. Получить прошивку работающей микросхемы. Как правило, для этого считывается содержимое из микросхемы-оригинала.
2. Прошить новую аналогичную микросхему.
3. Сравнить содержание запрограммированной мс. с прошивкой "оригинала". Если сравнение прошло, микросхема - копия готова.

В случае, когда требуется программировать NAND Flash , не все так просто и однозначно.

1. Прошивка Nand Flash , полученная при считывании программатором из "оригинала" - существенным образом зависит от установленных в программаторе режимов и параметров.
2. Для того что бы корректно запрограммировать новую NAND Flash и получить полную копию, необходимо перед программированием установить в программаторе режимы и параметры соответствующие прошивке "оригинала". При этом, необходимо учитывать возможность существования плохих блоков.

Для получения микросхемы-копии, у которой прошивка NAND Flash идентична образцу, необходимо поступать следующим образом.

Подготовка к копированию.

Для копирования необходимы микросхема-оригинал и микросхема-копия (мс. в которую предполагается записать образ оригинала). Обязательные требования:

1. Обе микросхемы NAND Flash и оригинал и копия должны быть одного типа.
2. Микросхема-копия не должна иметь плохих блоков.

Чтобы определить, имеет ли микросхема-копия плохие блоки, необходимо установить микросхему в программатор, и в окне “Редактор параметров микросхемы” задать параметры микросхемы по умолчанию - кнопка "All Default".

Запускается процедура контроля на стертость (для экономии времени можно сразу же отменить эту процедуру, считывание карты плохих блоков осуществляется в самом начале). В окне "Программирование" интерфейса программатора, в поле “Информация об операциях” появляется информация о плохих блоках.

Копирование.

Перед копированием микросхемы NAND Flash в программаторе обязательно должны быть сделаны следующие настройки параметров в окне “Редактор параметров микросхемы”:

В программатор устанавливается NAND Flash образец и считывается. Затем в программатор устанавливается микросхема-копия, стирается, записывается и сравнивается. В случае успешного прохождения всех трех процедур запрограммированная NAND Flash оказывается полной копией оригинала.

Структура памяти NAND Flash.

NAND Flash память * подразделяется на блоки (Block) памяти, которые в свою очередь делятся на страницы (Page). Страницы бывают большие (large page) и маленькие (small page). Размер страницы зависит от общего размера микросхемы. Для маленькой страницы обычно характерны микросхемы объемом от 128Kбит до 512Кбит. Микросхемы с большим размером страницы имеют объем от 256Кбит до 32Гбит и выше. Маленький размер страницы равен 512 байтам для микросхем с байтной организацией и 256 словам для микросхем со словной организаций шины данных. Большая страница имеет размер 2048 байт для байтных микросхем и 1024 для словных. В последнее время появляются микросхемы с еще большим размером страницы. Она уже составляет 4096 байт для байтных микросхем.

Структура памяти микросхем NAND Flash с малым размером страницы фирмы STMicroelectronics.

Структура памяти микросхем с большим размером страницы фирмы STMicroelectronics.

Плохие блоки NAND Flash

Характерной особенностью микросхем NAND Flash является наличие плохих (дефектных) блоков (Bad blocks) как в новых микросхемах, так и появление таких блоков в процессе эксплуатации. Для маркирования плохих блоков, а также для сохранения дополнительной служебной информации или кодов коррекции, в архитектуре NAND Flash в дополнении к каждой странице памяти данных предусмотрена добавочная область Spare area. Для микросхем с малой страницей эта область имеет размер 16 байт / 8 слов. Для микросхем с большой страницей - 64 байта / 32 слова.

Обычно производитель микросхем гарантирует количество плохих блоков, не превышающее определенного размера. Информация о плохих блоках поставляется производителем микросхем в определенном месте дополнительной области Spare Area.

Маркирование плохих блоков в микросхемах NAND Flash осуществляется записью обычно значения 0 по определенному адресу в области Spare Area нулевой страницы плохого блока. Маркеры плохих блоков лежат в определенных адресах области Spare Area.

Нужно иметь ввиду, что маркеры плохих блоков помещаются в обычные ячейки Flash памяти Spare Area, которые стираются при стирании всего блока памяти. Поэтому для сохранения информации о плохих блоках перед стиранием обязательно нужно сохранить эту информацию, а после стирания ее - восстановить.
В программаторах ChipProg при установке опции InvalidBlockManagement в любое значение кроме Do Not Use сохранение и восстановление информации о плохих блоках происходит автоматически.

Существует три наиболее распространенных способа обработки плохих блоков:

1. Skip Bad Blocks (Пропуск плохих блоков. )
2. Reserved Block Area (Резервирование блоков)
3. Error Checking and Correction (Контроль и коррекция ошибок. )

1. Пропуск плохих блоков .

Алгоритм пропуска плохих блоков заключается в том, что при записи в микросхему анализируется в какой блок осуществляется запись. В случае наличия плохого блока, запись в этот блок не осуществляется, плохой блок пропускается, запись осуществляется в блок следующий после плохого.

2. Резервирование блоков.

В этом методе память всей микрохемы делится на три области: User Block Area (UBA) - пользовательская область, Block Reservoir - резервная область, следуемая сразу за пользовательской областью, и таблицу соответствия плохих блоков хорошим (Reserved Block Area - RBA).

Алгоритм замены плохих блоков в этом методе таков: при выявлении плохого блока из области UBA блок переносится в область Block Reservoir, при этом в таблице RBA делается соответствующая запись замены блока.

Формат таблицы RBA:

NAND и NOR: что они такое, и с чем их едят

Думаю, многие, читая в новостях о флэш-памяти, сталкивались с какими-то странными ругательными сокращениями типа NOR и NAND. При этом расшифровки значений, как правило, не приводилось, и найти им какое-либо объяснение вам, скорее всего, вряд ли удалось. Попробуем внести хоть какую-то ясность в этот вопрос.

Итак, сокращения NOR и NAND обозначают тип логических элементов, используемых в данной единице флэш-памяти. NOR обозначает логический элемент ИЛИ-НЕ (NOT OR), а NAND - И-НЕ (NOT AND). Но, поскольку мне сейчас не хочется читать вам курс булевой алгебры и основ цифровой логики, которая вам, к тому же, и не нужна, остановимся лишь на результатах использования этих технологий.
Основная функция накопителей на флэш - хранить информацию. И отсюда вытекает первое различие: достигнутые сегодня плотности записи для технологии NAND превосходят достигнутые в NOR, причем разница измеряется в порядках. И требования хранения больших объемов и компактности однозначно определяют технологию используемой флэш-памяти. Впрочем, это не единственный критерий. Не менее важной является возможность выполнять в памяти записанный программный код, т.е. так называемая XIP Capability (XIP - eXecute In Place). Такая возможность существует у NOR-технологии и отсутствует у NAND. Так получается, что основным назначением памяти, произведенной по технологии NAND, является хранение данных, а по технологии NOR - хранение исполнимого программного кода и, в меньшей степени, данных (что обусловлено не только доступным малым объемом - чуть позже мы вернемся к этому).

Флэш-устройства делятся на части, которые называются блоками. Это необходимо делать для преодоления некоторых физических ограничений и из ценовых соображений. Запись в любом устройстве флэш определенного блока может быть произведена только если этот блок пуст или очищен. В большинстве случаев получается так, что операции записи должна предшествовать операция стирания. И если в NAND-устройствах операция стирания блока может быть произведена сразу, то в NOR-устройствах необходимо предварительно установить все байты блока в ноль. Нужно также сказать что типичное значение размера блока в NOR-устройствах составляет 64 или 128 Кб (8-32 Кб у NAND), что в сочетании с и так невысокими скоростями работы флэш приводит к тому, что операции записи со стиранием могут занимать до нескольких секунд. Это и является сдерживающим фактором применения NOR-флэша в качестве носителя данных. А применение его для хранения исполнимого кода возможно в том случае, если он устраивает в плане производительности - требования не должны быть высокими. Время стирания памяти NAND измеряется в миллисекундах и имеет первый порядок. А малый размер блока в случае неблагоприятных внешних условий гарантирует потерю минимального объема данных. Итак, подводя итог по этому абзацу: операции чтения NOR несколько быстрее NAND; операции же записи, наоборот, быстрее у NAND, причем значительно; благодаря малому размеру блока NAND в единицу времени нуждается в меньшем числе стираний (что, как мы увидим ниже, еще и способно продлить срок ее функционирования в устройстве), которые она проводит приблизительно на три порядка быстрее, чем NOR.

NOR-флэш является устройством памяти с произвольным доступом. Микросхемы NOR имеют интерфейс, позволяющий произвести адресацию и получить легкий доступ к каждому отдельному байту. Интерфейс ввода-вывода устройства памяти NAND значительно сложнее и меняется от устройства к устройству и от разработчика к разработчику. Одни и те же выводы (зачастую их 8) используются для передачи управляющих сигналов, адреса и данных. Кроме того, в NAND-флэше доступ осуществляют блоками обычно в 512 байт, т.е. за одно обращение считывается или записывается 512 байт. Доступ к каждому блоку произвольный, но, так как нет возможности обратиться к отдельному байту, память типа NAND не является в известном смысле памятью произвольного доступа. Выдача каждого байта из 512-байтного блока осуществляется на шину памяти последовательно, поэтому уместно говорить о последовательном доступе. Что и делают. Или о памяти со страничной организацией. Теперь становится понятней, почему NOR больше подходит для хранения и выполнения программ, а NAND - для хранения данных.
Схемотехнически ячейка памяти NAND организуется проще: она имеет меньший размер по сравнению с NOR, и это соответственно приводит к повышению плотности записи, уменьшению энергопотребления и стоимости производства.

Но у любой технологии не могут быть только положительные стороны. В этом смысле NAND тоже не исключение. Как и при эксплуатации любых накопителей, возможны случайные ошибки чтения и порча накопителя в целом. Для устройств памяти флэш-типа актуально говорить о безошибочном чтении, обработке плохих блоков и числе циклов чтения/записи. Явление ошибочного вычитывания битов (называется bit-flipping) больше характерно для NAND-памяти, чем для NOR. Вред от одного ошибочного бита определяется типом данных, к которым он принадлежит. Так, для мультимедийных данных это окажется несущественным, но подобная ошибка в программном коде или критически важных данных может привести к весьма трагическим результатам. Как я уже сказал, для NOR-памяти это явление менее характерно, а память на технологиях NAND нуждается в использовании какого-то дополнительного механизма обнаружения и коррекции ошибок.

Технологии производства NAND-памяти пока несовершенны, и изначально память содержит какое-то число неработающих элементов. Так как в NAND группа запоминающих ячеек объединяется в блок, то испорченная ячейка в блоке приводит к неработоспособности блока в целом, т.е. получается плохой блок. Поэтому появляется необходимость отслеживать состояние блоков и использовать только рабочие, что осуществить намного проще, чем произвести память, абсолютно не содержащую плохих страниц: такое производство оказывается очень дорогим (похожая ситуация была в свое время с LCD-панелями). По очевидным причинам этот вид дефектов не характерен для NOR.

Рабочий ресурс микросхем флэш выражается в минимально и максимально возможном числе циклов стирания каждого отдельного блока (а мы уже знаем, что каждая запись блока обязательно сопровождается его предварительным стиранием). Для памяти на технологиях NOR оно составляет 10.000 и 100.000 циклов соответственно, для NAND - 100.000 и 1.000.000 циклов. Все предельно просто, и комментировать нечего.
Использование NOR-памяти отличается сравнительной простотой. Она не нуждается в каких-либо дополнительных драйверах, а может быть просто установлена и использована. C NAND сложнее, так как разные производители используют разные интерфейсы, и для нее скорее всего понадобится драйвер. Впрочем, несмотря на то, что у NAND-памяти много преимуществ, вы не должны думать, что NOR - это вчерашний день. NOR-память сегодня находит применение в многочисленных устройствах, не нуждающихся в больших объемах и некритичных к производительности. NAND находит применение в тех областях, где бОльшая сложность по применению оправдывается большИми доступными объемами и производительностью.

По материалам компаний - производителей флэш
M-Systems, Samsung и др.

Простой способ ускорить работу вашего компьютера - установка на него SSD накопителя. Про мы уже говорили в одной из предыдущих статей. Эти накопители бывают нескольких типов и я бы хотел сегодняшнюю статью посвятить именно этому. Первый - SATA твердотельный диск, обычно он бывает в форм-факторе 2,5" и является универсальным решением с очень хорошей скоростью и достаточно приемлемой ценой.

Он подходит для любого компьютера, практически для любого ноутбука (бывают исключения, как например модели SONY, где используется диск форм-фактора 1,8"). Далее по списку у нас идет PCI, особенно обратите внимание на SSD PCI 3.0 - они обладают просто сумасшедшей скоростью и вы можете быть удивлены той производительностью, которую получаете с такими накопителями.

Но, у них, как и у всего хорошего, есть одни минус - достаточно высокая цена, которая зачастую в 2, а то и в 3 раза выше, чем у обычных SSD SATA 2,5 дисков. Еще существуют mSATA (на картинке ниже), что является сокращением от «mini SATA», они чаще всего используются в ноутбуках, однако, по скорости такие накопители ничем не отличаются от обычных SATA 2, то есть это тоже самое, но в более маленьком форм-факторе.

Посмотрите - насколько меньше mSATA SSD диск (зеленая печатная плата сверху) по сравнению с обычным 2,5" жестким диском

Примечательно, что существуют SSD исключительно для Apple (они и тут остались обособленными «личностями»), и они стоят еще дороже, хотя по производительности ничем не отличаются от тех же самых PCI SSD. Скорость записи тут может составлять 700 Мб/с - что является шикарным показателем.

Если вы хотите купить SSD себе, то вам в любом случае придется выбирать между SATA и PCI версиями, и тут уже вопрос цены. Если вы проводите за своим компьютером очень много времени, то обязательно попробуйте PCI версию накопителя. Потому что он сам по себе идет в RAID-массиве (это когда 2 жестких диска соединяются в один, грубо говоря), в этом случае информация считывается сразу с двух устройств, что ускоряет работу системы ровно в 2 раза.

PCI SSD - устанавливается внутрь системного блока компьютера

То есть, к примеру, та же Windows устанавливается сразу на 2 флеш-накопителя (2 разных чипа) и считывается с них одновременно, что является поистине великолепным решением для увеличения производительности компьютера, однозначно рекомендую к покупке.

Если же вы просто хотите хоть как то ускорить свой старый компьютер, который, возможно, в скором времени планируете поменять на что-нибудь более производительное, или просто первый раз хотите попробовать твердотельный накопитель в работе - однозначно рекомендую взять всем привычный и проверенный временем SATA 2,5 SSD.

Исходя из устройства твердотельного жесткого диска (в нем нет вращающихся магнитных дсков, как в HDD, например), видно, что его скорость работы и вообще, сам факт его работы - напрямую зависят от двух параметров: модели контроллера и разновидности чипов NAND памяти . Причем, даже два разных накопителя могут содержать в себе один и тот же контроллер, но, при этом, скорость работы их будет отличаться (все зависит от прошивки). Контроллер условно делит всю память на ячейки, в которые потом будет записываться информация.

И вот тут-то как раз и заключаются фундаментальные отличия различных типов памяти SSD. То есть, не важно - какая модель памяти используется в самом накопителе, контроллер в любом случае должен сначала поделить ее на так называемые ячейки. А вот сколько бит информации помещается в одну ячейку - определяет как раз тип NAND памяти. В настоящее время применяется всего три разновидности: SLC, MLC, TLC (как разновидность MLC).

SLC

SLC (Single Level Cell) - позволяет сохранять в одну ячейку только 1 бит информации - ноль или единица. Это самый дорогой вид NAND-микросхем. Дороговизна определяется сложностью в производстве таких накопителей. Кроме цены, к недостаткам еще можно отнести низкую емкость - порядка 60 Гб, например.

Однако, такой накопитель будет быстрее и надежнее всех других, за счет того, что ячейка будет перезаписываться намного реже, что, как известно, существенно продлевает ресурс самого устройства. До 100 000 раз можно перезаписывать одну ячейку, по уверениям производителей. Кроме того, технология SLC обеспечивает наибольшую скорость чтения/записи информации, и такие накопители самые быстрые.

На данный момент рынок SLC-решений сформирован крайне слабо. До недавнего времени одним из известных таких накопителей был Intel X25-E, который имел емкость всего лишь 64 Гб. Стоил он порядка 20000 рублей - что крайне дорого, ведь за эти же самые деньги можно с легкостью купить SSD диск емкостью около 1 терабайта (1000 Гб), правда - с MLC памятью.

MLC

MLC (Multi-Level Cell) - многоуровневая ячейка, позволяет записывать сразу два бита информации, что теоретически снижает ее ресурс ровно вдвое. Однако, по факту ресурс MLC SSD диска еще ниже. Изначально накопители предлагали до 10000 циклов перезаписи, затем этот показатель упал до 5000, а затем стал таким, как указано в таблице.

Тем не менее, на сегодняшний день является самым распространенным типом памяти на рыке твердотельных накопителей . Моделей такого типа просто огромное количество, их емкость уже существенно выше, чем у SLC моделей, и может достигать до 1 Тб и даже выше. Кроме того, цена MLC-накопителей той же емкости будет существенно ниже, чем в случае с SLC. Как видно из таблицы, быстродействие MLC тоже несколько хуже.

Существует еще подвид MLC - eMLC (enterprise MLC), из достоинств: увеличенный срок службы чипов, за счет большего количества возможных циклов записи/перезаписи. Мало кто знает, но у компании Samsung, например, имеется уникальная технология под названием «3D V-NAND», которая позволяет разместить ячейки вертикально, значительно расширяя объем памяти без удорожания производства.

TLC

TLC (Triple Level Cell) - угадайте, сколько бит информации может хранить такая TLC-ячейка? Все правильно, целых три. То есть, как вы уже поняли, все эти сокращения говорят нам о плотности хранения информации в NAND-чипах. Получается, самая «экономная» память будет именно TLC. Похожие (TLC) чипы применяются во флешках, где срок службы (количество циклов перезаписи) не является столь важным параметром. Кроме того, технология TLC очень дешева в производстве.

Я бы порекомендовал использовать TLC - как жесткий диск (не путать с HDD диском) для установки на него игр, например. А что, скорость чтения с него будет в разы выше, чем даже у самого быстрого HDD, а стоимость TLC твердотельных накопителей самая низкая из всех, на сегодняшний день (но все равно дороже, чем HDD). А для установки ОС лучше использовать накопитель с MLC, так как она более надежная и долговечная, нежели TLC.

ONFi и Toggle Mode

Накопители (твердотельные диски) с MLC делятся на два вида в соответствии с используемым интерфейсом. Обе эти аббревиатуры обозначают не просто разные интерфейсы, но и объединения (альянсы) разных производителей флеш-памяти, выпускающейся по определенному стандарту. Например, Intel, Micron, Spectec, Hynix относятся к «ONFI». А Samsung, Toshiba, SanDisk - соответственно к «Toggle Mode».

Оба интерфейса бывают разных версий, версии определяют пропускную способность для каждого канала NAND. Кроме того, ONFI делится на асинхронный и синхронный, последний - обеспечивает быстродействие, но при этом нехило повышает цену девайса. Ну а асинхронный, соответственно - дешевле, но медленней. При прочих равных память Toggle Mode «на бумаге» выглядит несколько быстрее ONFi в операциях «последовательная запись» и «случайное чтение».

Как определить тип памяти SSD?

Попробовать узнать его программным путем можно, например, с помощью программы «SSD-Z». Ну а еще эту информацию можно поискать в обзорах накопителей, либо на специальных сайтах (чаще всего англоязычных) - сборниках характеристик моделей SSD.