Архитектура флэш-памяти

3.2 Архитектура флэш-памяти.

Существует несколько типов архитектур (организаций соединений между ячейками) флэш-памяти. Наиболее распространёнными в настоящее время являются микросхемы с организацией NOR и NAND.

NOR (NOT OR, ИЛИ-НЕ)
	Ячейки работают сходным с EPROM способом. Интерфейс параллельный. Произвольное чтение и запись. Преимущества: быстрый произвольный доступ, возможность побайтной записи. Недостатки: относительно медленная запись и стирание. Из перечисленных здесь типов имеет наибольший размер ячейки, а потому плохо масштабируется. Единственный тип памяти, работающий на двух разных напряжениях. Идеально подходит для хранения кода программ (PC BIOS, сотовые телефоны), идеальная замена обычному EEPROM.
	Основные производители: AMD, Intel, Sharp, Micron, Ti, Toshiba, Fujitsu, Mitsubishi, SGS-Thomson, STMicroelectronics, SST, Samsung, Winbond, Macronix, NEC, UMC.
	Программирование: методом инжекции "горячих" электронов Стирание: туннеллированием FN
NAND (NOT AND, И-НЕ)
	Доступ произвольный, но небольшими блоками (наподобие кластеров жёсткого диска). Последовательный интерфейс. Не так хорошо, как AND память подходит для задач, требующих произвольного доступа. Преимущества: быстрая запись и стирание, небольшой размер блока. Недостатки: относительно медленный произвольный доступ, невозможность побайтной записи. Наиболее подходящий тип памяти для приложений, ориентированных на блочный обмен: MP3 плееров, цифровых камер и в качестве заменителя жёстких дисков.
	Основные производители: Toshiba, AMD/Fujitsu, Samsung, National
	Программирование: туннеллированием FN Стирание: туннеллированием FN
AND (И)
	Доступ к ячейкам памяти последовательный, архитектурно напоминает NOR и NAND, комбинирует их лучшие свойства. Небольшой размер блока, возможно быстрое мультиблочное стирание. Подходит для потребностей массового рынка.
	Основные производители: Hitachi и Mitsubishi Electric.
	Программирование: туннеллированием FN Стирание: туннеллированием FN
DiNOR (Divided bit-line NOR, ИЛИ-НЕ с разделёнными разрядными линиями)
	Тип памяти, комбинирующий свойства NOR и NAND. Доступ к ячейкам произвольный. Использует особый метод стирания данных, предохраняющий ячейки от пережигания (что способствует большей долговечности памяти). Размер блока в DiNOR всего лишь 256 байт.
	Основные производители: Mitsubishi Electric, Hitachi, Motorola.
	Программирование: туннеллированием FN Стирание: туннеллированием FN
Примечания: В настоящее время чаще всего используются память с архитектурой NOR и NAND. Hitachi выпускает многоуровневую AND-память с NAND-итерфейсом (SuperAnd или AG-AND [Assist Gate-AND])

Доступ к флэш-памяти

Существует три основных типа доступа:

обычный (Conventional): произвольный асинхронный доступ к ячейкам памяти. пакетный (Burst): синхронный, данные читаются параллельно, блоками по 16 или 32 слова. Считанные данные передаются последовательно, передача синхронизируется. Преимущество перед обычным типом доступа - быстрое последовательное чтение данных. Недостаток - медленный произвольный доступ. страничный (Page): асинхронный, блоками по 4 или 8 слов. Преимущества: очень быстрый произвольный доступ в пределах текущей страницы. Недостаток: относительно медленное переключение между страницами. Примечание: В последнее время появились микросхемы флэш-памяти, позволяющие одновременную запись и стирание (RWW - Read While Write или Simultaneous R/W) в разные банки памяти.
5. Карты памяти (флэш-карты)

Наиболее распространенные типы карт памяти: CompactFlash (CF) (I,II), MultiMedia Card, SD Card, Memory Stick, SmartMedia, xD-Picture Card, PC-Card (PCMCIA или ATA-Flash). Существуют и другие портативные форм-факторы флэш-памяти, однако встречаются они намного реже перечисленных здесь.

Флэш-карты бывают двух типов: с параллельным (parallel) и с последовательным (serial) интерфейсом.

Параллельный:

PC-Card (PCMCIA или ATA-Flash) CompactFlash (CF) SmartMedia (SSFDC)

Последовательный:

MultiMedia Card (MMC) SD-Card (Secure Digital - Card) Sony Memory Stick PC-Card (PCMCIA) или ATA Flash

Интерфейс: параллельный

Самым старым и самым большим по размеру следует признать PC Card (ранее этот тип карт назывался PCMCIA [Personal Computer Memory Card International Association]). Карта снабжена ATA контроллером. Благодаря этому обеспечивается эмуляция обычного жесткого диска. В настоящее время флэш-память этого типа используется редко. PC Card бывает объемом до 2GB. Существует три типа PC Card ATA (I, II и III). Все они отличаются толщиной (3,3 5,0 и 10,5 мм соответственно). Все три типа обратно совместимы между собой (в более толстом разъеме всегда можно использовать более тонкую карту, поскольку толщина разъема у всех типов одинакова – 3,3 мм). Питание карт - 3,3В и 5В. ATA-flash как правило относится к форм фактору PCMCIA Type I.

Тип	Длина	Ширина	Толщина	Использование
Type I	85,6 мм	54 мм	3,3 мм	Память (SRAM, DRAM, Flash и т. д)
Type II	85,6 мм	54 мм	5 мм	Память, устройства ввода-вывода (модемы, сетевые карты и т. д)
Type III	85,6 мм	54 мм	10,5 мм	Устройства хранения данных, жёсткие диски

PC-Card Flash бывают двух типов: PCMCIA Linear Flash Card и ATA Flash Card (Flash Disk). Linear встречается намного реже ATA flash и не совместим с последним. Отличие между ними состоит в том, что ATA Flash содержит в себе схему, позволяющую эмулировать обычный HDD, автоматически помечать испорченные блоки, и производить автоматическое стирание блоков.

Compact Flash (CF)

Интерфейс: параллельный, 50-ти контактный, соответствует стандарту PCMCIA ATA. Стандарт разработан компанией SanDisk в 1994 году. Разработчики формата Compact Flash поставили цель: сохранить все преимущества карт ATA Flash, преодолев их основной недостаток - большие размеры. Конструкция карт CompactFlash обеспечивает эмуляцию жёсткого диска с АТА интерфейсом. Разъёмы Compact Flash расположены на торце карты, электрически и функционально повторяя назначение контактов PCMCIA. Таким образом, чтобы установить CompactFlash в слот PCMCIA достаточно простейшего адаптера CF-PCMCIA, повторяющего своими размерами обычную PC-Card. Карты бывают двух типов: I и II (первого и второго типа). Карты типа II толще карт типа I на 2 мм, других существенных отличий между этими картами нет. CF I можно использовать в устройствах, снабженных разъемами CF II и CF I. CF II можно использовать только в устройствах с разъемами CF II (т.е. CF II типа обратно совместим с CF I типа). Compact Flash II типа были разработаны тогда, когда возникла необходимость в картах большого объема. Сейчас необходимости в картах CF II отпала, так как CF I догнали по объему карты CF II, так что карты второго типа постепенно теряют популярность. Карты Compact Flash поддерживают два напряжения: 3.3В и 5В. В отличие от карт SmartMedia, которые существуют в двух версиях (трёх- и пяти- вольтовой), любая карта CF способна работать с любым из двух видов питания. 16 июня 2003 года была утверждена спецификация v2.0. Скорость передачи данных согласно новой спецификации может достигать 16MB/s, при этом обеспечивается обратная совместим ость - карты, выпущенные по спецификации 2.0, будут работать в старых устройствах, но с меньшей скоростью. Произведенные по современным технологиям чипы флэш-памяти могут оперировать на скоростях 5-7 MB/s, так что теоретический предел в 16 MB/s оставляет солидный запас для роста. В ближайшее время будут приняты дополнения, позволяющие CF работать в режиме DMA, а в 2004 году - Ultra DMA 33, что позволит работать картам CompactFlash с быстродействием до 33 MB/s. Сегодня теоретический предел емкости для CF составляет 137 GB. Следует заметить, что будущее CF вполне определенно благодаря тому, что в этом типе карт реализовываются давние наработки ATA, успешно прошедшие испытание временем на компьютерных жестких дисках.

SmartMedia (SSFDC – Solid State Floppy Disk Card)

Интерфейс: параллельный, 22-х контактный. Разработана в 1995 году компаниями Toshiba и Samsung.

8 из 22-х контактов карты используются для передачи данных, остальные используются для питания микросхемы, управления и несут на себе другие вспомогательные функции. Толщина карты всего лишь 0,76мм. SmartMedia - единственный формат флэш-карт (из тех, которые мы здесь рассматриваем), не имеющий встроенного контроллера. Карты SmartMedia бывают как на одном, так и на двух чипах NAND. Существует две разновидности SmartMedia: 5-и и 3-х вольтовые (внешне отличаются маркировкой и тем, с какой стороны у карты скошен угол: у 5В SmartMedia он скошен слева, а у 3,3В - справа). На карте имеется специальное углубление (в форме кружочка). Если в это место приклеить соответствующей формы токопроводящий стикер, то карта будет защищена от записи. По сравнению с другими картами флэш-памяти, в которых используется полупроводниковая память, размещённая на печатной плате вместе с контроллером и другими компонентами, SmartMedia устроена очень просто. Карта собирается без пайки и, кроме микросхемы NAND-памяти, не содержит в себе никакой другой микроэлектроники.

xD-Picture Card

Интерфейс: параллельный, 22-х контактный. Анонсирован в 30 июля 2002 года компаниями Fujifilm и Olympus.

По словам разработчиков, XD следует расшифровывать как eXtreme Digital. Теоретически емкость карт xD может достигать 8ГБ. Сообщается, что скорость записи данных на xD будет достигать 3 Мбайт/с, а скорость чтения - 5 Мбайт/с. Размеры карты: 20 х 25 х 1,7 мм. Контакты у XD расположены, так же как и у SmartMedia, на лицевой части карты. На вопросы пользователей, не будет ли проблем с такими контактами, представители компании объясняют, что с контактами такой конструкции нужно быть очень бережным и протирать их сухой тряпочкой в случае загрязнения или попадения на них влаги (единственные карты с таким "свойством", не считая SM). Как и SmartMedia, xD не содержит контроллера. Карта разработана в качестве замены SmartMedia и продается по сравнимой со SmartMedia цене (возможно, из-за отсутствия встроенного контроллера), благо чипы для xD-Picture Card производятся Toshiba. Теоретический предел емкости – 8GB.

MMC (MultiMedia Card)

Интерфейс: последовательный, 7-ми контактный. Разработана в 1997 году компаниями Hitachi, SanDisk и Siemens Semiconductors (Infineon Technologies). Карты MMC содержат 7 контактов, реально из которых используется 6, а седьмой формально считается зарезервированным на будущее. По стандарту MMC способна работать на частотах до 20МГц. Карточка состоит из пластиковой оболочки и печатной платы, на которой расположена микросхема памяти, микроконтроллер и разведены контакты.

Назначение контактов MMC:
1 контакт на передачу данных (в SPI - Data out)
1 контакт на передачу команд (в SPI - Data in)
1 часы
3 на питание (2 земли и 1 питание)