Устройства хранения информации на основе Flash-накопителей

Рассмотрим файловую систему флэш-памяти (Flash File System, FFS) (рис. 32). Она состоит из модулей управления пространством, «сборкой мусора», износом и интерфейсом, а также блока инициализации [5].

Рис. 32. Организация файловой системы флэш-память

Общение операционной системы с флэш-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.

При записи координаты сектора данные преобразуются в собственную систему флэш-накопителя. Происходит проверка на наличие свободных блоков чтения/записи. При наличии таковых для соответствующего кристалла устанавливается режим записи и происходит запоминание данных в его ячейках. Если же блоков недостаточно или размеры свободного пространства меньше требуемого, активизируется «сборка мусора», которая совместно с механизмом управления износом подбирает область стирания и проверяет, не содержит ли она действительных блоков чтения/записи. При обнаружении последних происходит их перемещение в резервное пространство. Выбранная область стирания очищается, затем из ее состава выбирается свободный блок записи.

Управление пространством осуществляется с помощью трансляции логических секторов дисковой модели ОС в физические блоки флэш-памяти (Flash Translation Layer, FTL). При этом происходит учет дефектных и недействительных блоков. Доступный объем виртуального накопителя описывается в управляющих таблицах, выполняющих роль таблиц размещения файлов (FAT) дисковой операционной системы (ОС).

Процесс удаления записанных, но более не используемых (недействительных) блоков памяти носит название «сборки мусора» (Garbage Collection). На заре развития флэш-памяти для этого использовался простой механизм. Блоки, содержащие полезные данные, перемещались в свободную область, после чего запускался механизм очистки недействительных. Так как «сборка мусора» запускается нечасто, этот процесс потребляет ничтожно мало энергии и не снижает производительность памяти. Эта процедура запускается в те моменты, когда нет обращений системы к виртуальному диску.

Карты SecureDigital (SD) появились в 2000 г. как более серьезная замена устаревающим MultiMedia Card. Авторы стандарта – компании SanDisk,, Toshiba и Matsushita Electric. Эти карты полностью соответствуют своему названию, обеспечивая защиту данных, при помощи специального встроенного контроллера кодирования и аутентификации информации. При работе последний использует технологию CPRM (Content Protection for Recordable Media), разработанную компанией 4С Entity. Помимо электронной защиты, имеется еще и чисто механическая, предназначенная для предотвращения случайного стирания и перезаписи информации. Она выполнена в виде ползунка-выключателя. Если он сдвинут в положение [LOCK], нельзя произвести запись на карту, удалить с нее данные или форматировать ее. Если же он отодвинут в сторону, эти операции возможны.

SD-карта, представленная на рис. 33, снабжена 10-контактным разъемом. Для обмена данными используются 4 канала (D0-D3), дополнительный – для передачи команд (CMD) и еще один – для синхронизации (CLK). Все разъемы соединяются со схемой ввода/вывода, которая отвечает за преобразование цифрового сигнала [8-10]. Контролер карты отвечает за правильную и безошибочную работу всех блоков, являясь «сердцем» карты. Блок контроллера памяти непосредственно связан с физической флэш-памятью и производит запись и чтение из ячеек флэш-памяти.

Рис. 33. Схема устройства карты памяти SD

В блоке внутренних регистров помимо пяти унаследованных от предыдущего поколения карточек, присутствует еще один – SCR (SD Configuration Register). В нем хранятся данные о специальных функциях карты памяти.

Блок определения подачи питания предназначен для сброса установок флэш-карты в первоначальное состояние при сбое в её работе.