Стандартизация флэш-памяти в картах PCMCIA

Стре­ми­тель­ный рост про­из­вод­ст­ва мо­биль­ных и пор­та­тив­ных компь­юте­ров на фо­не ста­биль­нос­ти стан­дар­та PCMCIA уве­ли­чи­ва­ет спрос поль­зо­ва­те­лей на па­мять с быс­т­рым до­сту­пом и ни­зким энер­го­пот­реб­ле­ни­ем в фор­ма­те PCMCIA. В от­ли­чие от сво­е­го ста­ци­о­нар­но­го со­бра­та мо­биль­ный компь­ютер до­лжен обес­пе­чи­вать быс­т­рый до­ступ к дан­ным, иметь не­боль­шой раз­мер и вес, а в боль­шин­ст­ве слу­ча­ев иметь так­же по­вы­шен­ную про­чность и съем­ные на­коп­ите­ли ин­фор­ма­ции.

Так как кар­ты па­мя­ти PCMCIA по са­мой своей при­ро­де яв­ля­ют­ся ком­пакт­ны­ми съем­ны­ми на­коп­ите­ля­ми ин­фор­ма­ции, они до­лж­ны удов­лет­во­рять еще од­но­му тре­бо­ва­нию — воз­мож­нос­ти для од­но­го компь­юте­ра счи­ты­вать ин­фор­ма­цию, за­пи­сан­ную на кар­ту дру­гим компь­юте­ром, то есть сис­те­ма чте­ния до­лж­на быть спо­соб­на оп­ре­де­лить, как ин­фор­ма­ция хра­нит­ся на кар­те, для то­го что­бы осу­щес­твить до­ступ к ней.

Сей­час на рын­ке па­мя­ти PCMCIA есть не­сколь­ко кон­ку­ри­ру­ю­щих тех­но­ло­гий, сре­ди ко­то­рых ос­нов­ным кан­ди­да­том на ли­дер­ст­во яв­ля­ет­ся флэш-па­мять. Ком­па­ния M-Systems на­ря­ду с дру­ги­ми фир­ма­ми пред­ло­жи­ла стан­дар­т­ный ме­тод до­сту­па и спо­соб ор­га­ни­за­ции дан­ных для карт флэш-па­мя­ти. Этот стан­дарт, уже одоб­рен­ный ко­ми­те­том PCMCIA, по­лу­чил на­зва­ние Flash Trans­lation Layer (FTL).

FTL спе­ци­аль­но со­здан для карт в фор­ма­те PCMCIA, ис­поль­зу­ю­щих флэш-па­мять. Эта па­мять энер­го­не­за­ви­си­ма и хо­ро­шо под­хо­дит для мо­биль­ных при­ме­не­ний, так как, на­ря­ду с ус­той­чи­востью к не­бла­гоп­ри­ят­ным внеш­ним воз­дей­стви­ям, обес­пе­чи­ва­ет быс­т­рое вре­мя до­сту­па, ни­зкое энер­го­пот­реб­ле­ние, вы­со­кую ем­кость, ма­лень­кий вес и раз­мер. Од­на­ко флэш-па­мять име­ет не­ко­то­рые осо­бен­нос­ти, ко­то­рые тре­бу­ют спе­ци­аль­но­го под­хо­да. На­при­мер, за­пись дан­ных про­из­во­дит­ся с ис­поль­зо­ва­ни­ем специального про­грам­мно­го ал­го­рит­ма, в то вре­мя как ус­трой­ст­ва ти­па ди­на­ми­чес­кой (DRAM) или ста­ти­чес­кой (SRAM) па­мя­ти не нуж­да­ют­ся в ка­ком-ли­бо спе­ци­аль­ном про­грам­ми­ро­ва­нии.

Кро­ме то­го, флэш-па­мять со­сто­ит из бло­ков раз­ме­ром, в за­ви­си­мос­ти от из­го­то­ви­те­ля, от 4 до 256 кбайт. Что­бы об­но­вить ин­фор­ма­цию в ка­ком-ли­бо бло­ке, этот блок до­лжен быть пол­ностью стерт до то­го, как но­вые дан­ные мо­гут быть 
в не­го за­пи­са­ны/за­про­грам­ми­ро­ва­ны. Учи­ты­вая этот фак­тор, флэш-па­мять в ре­жи­ме за­пи­си не­ль­зя рас­смат­ри­вать как ус­трой­ст­во с про­из­воль­ным до­сту­пом.

Опе­ра­ци­он­ные и фай­ло­вые сис­те­мы пред­пол­ага­ют, что ус­трой­ст­во мас­со­вой па­мя­ти име­ет про­из­воль­ный до­ступ как в ре­жи­ме чте­ния, так и в ре­жи­ме за­пи­си. В ре­зуль­та­те меж­ду опе­ра­ци­он­ной или фай­ло­вой сис­те­мой и ус­трой­ства­ми флэш-па­мя­ти тре­бу­ет­ся до­пол­ни­тель­ный уро­вень про­грам­мно­го обес­пе­че­ния, на­зы­ва­е­мый фай­ло­вой сис­те­мой для флэш-па­мя­ти (Flash File System, FFS). FFS име­ет мо­но­поль­ный до­ступ к флэш-па­мя­ти без ка­ко­го-ли­бо вме­ша­тель­ст­ва со сто­ро­ны опе­ра­ци­он­ной сис­те­мы. Пос­коль­ку FTL эму­ли­ру­ет ра­бо­ту на­коп­ите­ля на уров­не эле­мен­тар­ных сек­то­ров, на­коп­итель на флэш-па­мя­ти мо­жет вы­пол­нять в компь­ютер­ной сис­те­ме фун­к­ции за­гру­зоч­но­го.

Пер­во­на­чаль­но су­щес­тво­ва­ло не­сколь­ко фай­ло­вых систем для флэш-па­мя­ти, каж­дая из ко­то­рых ис­поль­зо­ва­ла свою уникаль­ную струк­ту­ру дан­ных. Это оз­на­ча­ло, что дан­ные, за­пи­сан­ные с по­мощью од­ной FFS, не мог­ли быть про­чи­та­ны с по­мощью дру­гой. В этой си­ту­а­ции, ког­да ста­ло яс­но, что для пе­ре­но­си­мос­ти ин­фор­ма­ции от­расль нуж­да­ет­ся в стан­дар­ти­за­ции, на сце­ну вы­шел ко­ми­тет PCMCIA.

Стан­дарт оп­ре­де­ля­ет спе­ци­фи­ка­ции, по­мо­га­ю­щие раз­ра­бот­чи­кам FFS уп­рав­лять струк­ту­ра­ми дан­ных во флэш-па­мя­ти. Ес­ли все пос­тав­щи­ки, ко­то­рые ре­а­ли­зу­ют в на­сто­я­щее вре­мя фай­ло­вые сис­те­мы на ос­но­ве FTL, стро­го сле­ду­ют стан­дар­ту, это до­лж­но обес­пе­чить пол­ную пе­ре­но­си­мость дан­ных меж­ду раз­лич­ны­ми ре­а­ли­за­ци­я­ми фай­ло­вых сис­тем для флэш-па­мя­ти.

Прак­ти­чес­ки FTL обес­пе­чи­ва­ет пред­став­ле­ние на­коп­ите­ля на флэш-па­мя­ти для про­грам­мно­го обес­пе­че­ния вер­хне­го уров­ня как на­бо­ра вир­ту­аль­ных сек­то­ров. При этом за­про­сы на за­пись сек­то­ра пе­ре­ад­ре­су­ют­ся в сво­бод­ные об­лас­ти но­си­те­ля, а об­ласть, пер­во­на­чаль­но со­дер­жав­шая дан­ные это­го сек­то­ра, по­ме­ча­ет­ся как не­дей­стви­тель­ная. Дру­ги­ми сло­ва­ми, дан­ные за­пи­сы­ва­ют­ся в оп­ре­де­лен­ное мес­то па­мя­ти, ко­то­рое бы­ло сна­ча­ла стер­то, а ста­рые дан­ные по­ме­ча­ют­ся как не­ис­поль­зу­е­мые, или «му­сор». Кро­ме это­го, FTL за­по­ми­на­ет, в ка­ком мес­те на но­си­те­ле на­хо­дят­ся пе­ре­ад­ре­со­ван­ные сек­то­ры, что­бы пос­ле­ду­ю­щие об­ра­ще­ния по чте­нию мог­ли воз­вра­тить кор­рек­т­ные дан­ные. Раз­мер этих вир­ту­аль­ных сек­то­ров оп­ре­де­ля­ет­ся при фор­ма­ти­ро­ва­нии но­си­те­ля.

Поль­зо­ва­те­лю ка­жет­ся, что компь­ю-тер и опе­ра­ци­он­ная сис­те­ма вос­при­ни­ма­ют флэш-па­мять как мас­сив смеж­ных сек­то­ров. Но в дей­стви­тель­нос­ти фи­зи­чес­кое мес­то­по­ло­же­ние каж­до­го вир­ту­аль­но­го сек­то­ра хра­нит­ся в спе­ци­аль­ной таб­ли­це, ко­то­рая опи­сы­ва­ет ре­аль­ное рас­по­ло­же­ние дан­ных (рис. 1).

В за­ви­си­мос­ти от сво­е­го ти­па каж­дая мик­рос­хе­ма флэш-па­мя­ти на кар­те PCMCIA мо­жет быть под­еле­на на од­ну или бо­лее сти­ра­е­мых бло­ков рав­но­го раз­ме­ра. Каж­дый та­кой блок пред­став­ля­ет со­бой ми­ни­маль­ную не­пре­рыв­ную об­ласть па­мя­ти, ко­то­рая мо­жет быть стер­та за од­ну опе­ра­цию. Ес­ли 8-раз­ряд­ные мик­рос­хе­мы объ­еди­ня­ют­ся для по­лу­че­ния 16-раз­ряд­ной ши­ны дан­ных, то со­от­вет­ству­ю­щие фи­зи­чес­кие бло­ки двух смеж­ных мик­рос­хем объ­еди­ня­ют­ся вмес­те как од­на сти­ра­е­мая зо­на. При этом од­на мик­рос­хе­ма со­дер­жит дан­ные для чет­ных ад­ре­сов, а дру­гая — для не­чет­ных (рис. 2).

Для раз­ме­ще­ния дан­ных сти­ра­е­мая зо­на рав­но­мер­но де­лит­ся на один или бо­лее сек­то­ров рав­но­го раз­ме­ра. На­при­мер, зо­на ем­костью 128 кбайт мо­жет быть раз­би­та на 256 сек­то­ров по 512 бай­тов каж­дый. Та­кой же раз­мер име­ют вир­ту­аль­ные сек­то­ры, че­рез ко­то­рые с по­мощью FTL про­ис­хо­дит ото­бра­же­ние флэш-па­мя­ти для про­грам­мно­го обес­пе­че­ния вер­хне­го уров­ня (рис. 3).

Каж­дая сти­ра­е­мая зо­на со­дер­жит ин­фор­ма­цию об от­но­ся­щих­ся к не­му сек­то­рах. Эта ин­фор­ма­ция опи­сы­ва­ет в том чис­ле со­сто­я­ние каж­до­го сек­то­ра. С по­мощью нее фай­ло­вая сис­те­ма мо­жет, на­при­мер, оп­ре­де­лить, со­дер­жит этот сек­тор пол­ез­ные дан­ные или там на­хо­дит­ся «му­сор».

В ка­кой-то мо­мент вре­ме­ни фай­ло­вая сис­те­ма за­тре­бу­ет об­лас­ти, со­дер­жа­щие «му­сор», для даль­ней­ше­го ис­поль­зо­ва­ния. В этом слу­чае вы­пол­ня­ет­ся про­це­ду­ра «сбор­ки му­со­ра», ко­то­рая все об­лас­ти с «му­со­ром» в пред­елах сти­ра­е­мой зо­ны воз­вра­ща­ет в со­сто­я­ние го­тов­нос­ти к за­пи­си.

Од­но из­де­лие, ко­то­рое уже со­зда­но в со­от­вет­ст­вии со стан­дар­том FTL, — это флэш-кар­та MobileMax, раз­ра­бо­тан­ная фир­мой Maxtor, Inc. из Сан-Хо­се (штат Ка­ли­фор­ния). Эта кар­та сфор­ма­ти­ро­ва­на в со­от­вет­ст­вии с тре­бо­ва­ни­я­ми FTL и со­дер­жит встро­ен­ное про­грам­мное обес­пе­че­ние TrueFFS. В ре­зуль­тате кар­та не­мед­лен­но го­то­ва для ра­бо­ты с боль­шин­ст­вом плат­форм PCMCIA.

Сей­час, ког­да стан­дарт за­нял свое мес­то, сле­ду­ю­щий шаг — это пред­ос­та­вить тех­но­ло­гию флэш-па­мя­ти ко­неч­ным поль­зо­ва­те­лям в удоб­ной для них фор­ме. Не­ко­то­рые  дру­гие ас­пек­ты, свя­зан­ные с флэш-па­мятью, до­лж­ны вы­звать раз­мыш­ле­ния, на­при­мер, не­об­хо­ди­мость сни­же­ния цен или то, что ры­нок элек­трон­ных за­пис­ных кни­жек (PDA) нуж­да­ет­ся в рас­ши­ре­нии. В то же вре­мя вер­ти­каль­ные рын­ки, ко­то­рые ме­нее чув­стви­тель­ны к це­не, уже се­год­ня мо­гут вос­поль­зо­вать­ся пре­иму­щес­тва­ми флэш-тех­но­ло­гии.

Сам FTL-стан­дарт со­дер­жит слиш­ком боль­шое чис­ло под­роб­нос­тей и де­та­лей, что­бы об­суж­дать точ­ные оп­ре­де­ле­ния струк­тур дан­ных в рам­ках этой не­боль­шой статьи.

Ве­ду­щим раз­ра­бот­чи­ком про­грам­м­но­го обес­пе­че­ния, ре­а­ли­зу­ю­ще­го стан­-дарт FTL, яв­ля­ет­ся фир­ма M-Systems со своей сис­те­мой уп­рав­ле­ния флэш-па­мятью под на­зва­ни­ем TrueFFS. Не­об­хо­ди­мо, от­ме­тить, что спе­ци­аль­ное про­грам­мное обес­пе­че­ние, эму­ли­ру­ю­щее ра­бо­ту дис­ко­во­го на­коп­ите­ля, при­ме­ня­ет­ся при ра­бо­те с ли­ней­ны­ми флэш-кар­та­ми, где до­ступ к флэш-па­мя­ти осу­щес­твля­ет­ся че­рез об­ласть ад­рес­но­го про­стран­ст­ва вы­чис­ли­тель­ной ма­ши­ны. В то же вре­мя ши­ро­ко рас­прос­тра­не­ны так на­зы­ва­е­мые АТА флэш-кар­ты, где до­ступ к флэш-па­мя­ти осу­щес­твля­ет­ся толь­ко че­рез спе­ци­аль­ный кон­трол­лер, ап­па­рат­но эму­ли­ру­ю­щий АТА на­бор ко­манд дис­ко­вых на­коп­ите­лей. Ли­де­ром в про­из­вод­ст­ве АТА флэш-карт яв­ля­ет­ся аме­ри­кан­с­кая фир­ма SanDisk, об­ла­да­ю­щая со­бствен­ной тех­но­ло­гией про­из­вод­ст­ва мик­рос­хем флэш-па­мя­ти с раз­ме­ром сти­ра­е­мо­го бло­ка 512 бай­тов.

Хо­тя су­щес­тву­ет мно­жес­т­во раз­но­об­раз­ных ус­тройств с флэш-па­мятью, на­ибо­лее жар­кая кон­ку­рен­т­ная борь­ба раз­го­ра­ет­ся в об­лас­ти свер­хми­ни­а­тюр­ных флэш-карт для быс­тро ­рас­ту­ще­го рын­ка из­де­лий бы­то­вой элек­тро­ни­ки, та­ких как циф­ро­вые фо­то­ап­па­ра­ты, со­то­вые те­ле­фо­ны, элек­трон­ные за­пис­ные книж­ки (PDA) и т. п. Груп­па ком­па­ний во гла­ве с SanDisk пред­ла­га­ет из­де­лия в стан­дар­те CompactFlash со встро­ен­ным АТА-кон­трол­ле­ром, в то вре­мя как дру­гая груп­па ком­па­ний, где ве­ду­щие ро­ли иг­ра­ют Intel и M-Systems, под­дер­жи­ва­ет стан­дарт MiniatureCard с ли­ней­ной флэш-па­мятью. Да­лее при­ве­де­ны не­ко­то­рые со­об­ра­же­ния по по­во­ду до­сто­инств и не­до­стат­ков обо­их под­хо­дов.

Со­вмес­ти­мость

АТА-карты. Не тре­бу­ет­ся ка­ких-ли­бо спе­ци­аль­ных про­грам­мных драй­ве­ров. Под­дер­ж­ка АТА-на­коп­ите­лей встро­е­на прак­ти­чес­ки во все ап­па­-рат­ные и про­грам­мные плат­фор­мы.

Ли­ней­ные карты. При­ня­тие еди­но­го стан­дар­та FTL обес­пе­чи­ва­ет со­вмес­ти­мость флэш-дис­ков для раз­лич­ных ап­па­рат­ных плат­форм. Со­гла­ше­ния фир­мы M-Systems с SystemSoft и Phoenix Тechnologies, на­ли­чие драй­ве­ров TrueFFS для на­ибо­лее рас­прос­тра­нен­ных опе­ра­ци­он­ных сис­тем, а так­же пла­ни­ру­е­мое вклю­че­ние TrueFFS в на­бор стан­дар­т­но пос­тав­ля­е­мых драй­ве­ров для Windows поз­во­ляют в 90% слу­ча­ев ис­поль­зо­вать ли­ней­ные кар­ты в ре­жи­ме plug-and-play.

Сто­и­мость

Линейные карты. Круп­но­се­рий­ное про­из­вод­ст­во ис­поль­зу­е­мых ком­по­нен­тов, а так­же от­сут­ст­вие до­пол­ни­тель­ных схем кон­трол­ле­ра па­мя­ти обес­пе­чи­ва­ют бо­лее ни­зкую сто­и­мость ли­ней­ных флэш-карт. Име­ет­ся не­сколь­ко аль­тер­на­тив­ных про­из­во­ди­те­лей ком­по­нен­тов флэш-па­мя­ти.

АТА-карты. Сто­и­мость мо­жет быть умень­ше­на при их мас­штаб­ном про­из­вод­ст­ве с ис­поль­зо­ва­ни­ем спе­ци­а­ли­зи­ро­ван­ных мик­рос­хем. SanDisk го­то­ва ли­цен­зи­ро­вать свою тех­но­ло­гию вто­рым пос­тав­щи­кам.

Быс­тро­дей­ст­вие

Ли­ней­ные кар­ты об­ла­да­ют по­тен­ци­аль­но бо­лее вы­со­ким быс­тро­дей­стви­ем из-за от­сут­ст­вия про­ме­жу­точ­но­го кон­трол­ле­ра.

АТА-кар­ты. При­ме­не­ние быс­тро­дей­ству­ю­щей ло­ги­ки и до­пол­ни­тель­ная бу­фе­ри­за­ция поз­во­ля­ют до­стичь хо­ро­ших по­ка­за­те­лей. Кро­ме то­го, та­кие фун­к­ции, как кор­рек­ция оши­бок, вы­пол­ня­ют­ся внут­ри кон­трол­ле­ра, ос­во­бож­дая от это­го ос­нов­ную вы­чис­ли­тель­ную сис­те­му.

Ин­тен­сив­ная за­пись

АТА-кар­ты. Не про­ис­хо­дит дег­ра­да­ции ско­рос­ти за­пи­си при ин­тен­сив­ных об­ра­ще­ни­ях к прак­ти­чес­ки пол­ностью за­пол­нен­но­му флэш-дис­ку.

Ли­ней­ные кар­ты. Из-за боль­шо­го раз­ме­ра сти­ра­е­мо­го бло­ка в ком­по­нен­тах флэш-па­мя­ти ти­па NOR мо­жет про­ис­хо­дить за­мед­ле­ние сред­ней ско­рос­ти за­пи­си, од­на­ко ис­поль­зо­ва­ние но­вых ком­по­нен­тов ти­па NAND поз­во­ля­ет из­ба­вить­ся от это­го не­до­стат­ка.

Фун­кци­о­наль­ные воз­мож­нос­ти

Ли­ней­ные кар­ты. Под­дер­жи­ва­ет­ся ис­пол­не­не­ние про­грам­мы не­пос­ред­ствен­но из флэш-па­мя­ти без за­груз­ки в ОЗУ вы­чис­ли­тель­ной сис­те­мы (eXecute In Place, XIP). Важ­но для пор­та­тив­ных сис­тем с не­боль­ши­ми ре­сур­са­ми па­мя­ти.

АТА-кар­ты. По ме­ре по­вы­ше­ния сте­пе­ни ин­тег­ра­ции мик­рос­хем па­мя­ти и умень­ше­ния их сто­и­мос­ти ак­ту­аль­ность тех­но­ло­гии XIP умень­ша­ет­ся.

Сей­час труд­но ска­зать, ка­кой под­ход воз­об­ла­да­ет, — ли­ней­ные или АТА флэш-кар­ты. Блок но­вос­тей, ко­то­рый сле­ду­ет за этой статьей, поз­во­лит со­ста­вить не­ко­то­рое впе­чат­ле­ние о том, как раз­ви­ва­ют­ся со­бы­тия. ●

A.Ю. Кузнецов — ведущий специ­а­лист фирмы ProSoft

© СТА-ПРЕСС, 2025