Институт информационных технологий Кафедра информационных и коммуникационных технологий. Курсовая работа на тему: Цифровые носители информации для компьютерной и мобильной аппаратуры
| Вид материала | Курсовая |
- Институт информационных технологий Кафедра информационных и коммуникационных технологий, 207.89kb.
- Институт информационных технологий Кафедра информационных и коммуникационных технологий, 421.13kb.
- Модель повышения информационно-коммуникационной компетентности педагогических работников, 373.94kb.
- Темы вашего учебного проекта, 101.61kb.
- Основные направления внедрения средств информационных и коммуникационных технологий, 49.28kb.
- М. В. Моу аннинская сош №6. Всовременное время всё чаще поднимается вопрос о применении, 33.29kb.
- Методика поверки мп. Мн 1204-2002 разработано нач отдела метрологии зао «Институт информационных, 552.53kb.
- Развитие информационных технологий, 88.9kb.
- Белорусский государственный университет выпускная работа по «Основам информационных, 233.67kb.
- Н. Э. Баумана Факультет "Информатика и системы управления" Кафедра "Системы обработки, 128.07kb.
Р.Г.П. университет
имени А. И. Герцена
Институт информационных технологий
Кафедра информационных и коммуникационных технологий.
Курсовая работа на тему:
Цифровые носители информации для компьютерной и мобильной аппаратуры.
Работу выполнил: Макаров Денис Сергеевич
Курс 3, группа 2.
Научный руководитель: Гасанов Олег Кебирович.
Санкт-Петербург
26.12.2005
Введение
С распространением в 90-е годы ХХ-века компактной цифровой аппаратуры (фотокамер, видеокамер и др.) возникла необходимость в устройствах энергонезависимой памяти, удовлетворяющих определенным специфическим требованиям, основными из которых являются высокая надежность, малые размеры и масса, высокая плотность хранения информации, низкое энергопотребление. Носителями цифровых данных, соответствующими этим требованиям, стали микроэлектронные устройства на основе полупроводниковой флэш-памяти. В последние годы в связи с продвижением компьютерных систем в сферу мобильных приложений, расширением функциональных возможностей мобильных электронных устройств, возникновением и быстрым распространением мобильного Интернета еще в большей степени возросла потребность в миниатюрных носителях информации на основе флэш-памяти.
Инженерам, специализирующимся в области информационных технологий, необходимо знать физические принципы работы и технические характеристики основных компонентов современной электронной аппаратуры, используемой в системе образования для реализации новых технологий обучения.
Целью данной работы является рассмотрение физических принципов работы устройств флэш-памяти, их основных параметров и особенностей эксплуатации. Предпринята также попытка дать краткий обзор технических характеристик функционирующих в настоящее время многочисленных типов карт флэш-памяти.
Принципы работы Flash – памяти
Flash – память – это твердотельная энергонезависимая, электрически записываемая и стираемая память с произвольным доступом (возможностью чтения-записи данных без предварительного поиска), хранящая информацию без использования каких-либо источников питания в течение очень долгого времени (до 100 лет).
Флэш-память построена на основе интегральных микросхем, состоящих из организованных в матрицу одинаковых ячеек памяти и интерфейсной части, которая создает связь с внешними устройствами и управляет адресацией ячеек во время операций записи и чтения.
В простейшем случае каждая ячейка хранит один бит информации и состоит из одного полевого транзистора со специальной электрически изолированной от всех его электродов областью ("плавающим" затвором - floating gate), способной хранить помещенный в нее заряд многие годы.
"
nt.ru/img1.phtml
Плавающий" затвор играет ту же роль, что и конденсатор в динамической памяти DRAM, т. е. хранит запрограммированное значение. При записи заряд помещается на плавающий затвор одним из двух способов (в зависимости от типа ячейки): методом инжекции "горячих" электронов или методом туннелирования электронов. Стирание содержимого ячейки (снятие заряда с "плавающего" затвора) производится методом тунеллирования. Наличие или отсутствие заряда кодирует один бит информации. Как правило, наличие заряда на транзисторе понимается как логический "0", а его отсутствие - как логическая "1".
Общий принцип работы ячейки флэш-памяти
Р
ассмотрим простейшую ячейку флэш-памяти на одном транзисторе. Поведение транзистора зависит от количества электронов на "плавающем" затворе. При чтении, в отсутствие заряда на "плавающем" затворе, под воздействием положительного поля на управляющем затворе, образуется n-канал в подложке между истоком и стоком, и возникает ток.Н
аличие заряда на "плавающем" затворе меняет вольтамперные характеристики транзистора таким образом, что при обычном для чтения напряжении канал не появляется, и тока между истоком и стоком не возникает.При программировании на сток и управляющий затвор подаётся высокое напряжение (причём на управляющий затвор напряжение подаётся приблизительно в два раза выше). "Горячие" электроны из канала инжектируются на плавающий затвор и изменяют вольтамперные характеристики транзистора. Такие электроны называют "горячими" за то, что обладают высокой энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, создаваемого тонкой плёнкой диэлектрика.
П
ри стирании высокое напряжение подаётся на исток. На управляющий затвор подаётся высокое отрицательное напряжение. Электроны туннелируют на исток.Эффект туннелирования - один из эффектов, использующих волновые свойства электрона. Сам эффект заключается в преодолении электроном потенциального барьера малой "толщины". Для наглядности представим себе структуру, состоящую из двух проводящих областей, разделенных тонким слоем диэлектрика (обеднённая область). Преодолеть этот слой обычным способом электрон не может - не хватает энергии. Но при создании определённых условий (соответствующее напряжение и т.п.) электрон проскакивает слой диэлектрика (туннелирует сквозь него), создавая ток.
Важно отметить, что при туннелировании электрон оказывается "по другую сторону", не проходя через диэлектрик.
Многоуровневые ячейки (MLC - Multi Level Cell).
В последнее время многие компании начали выпуск микросхем флэш-памяти, в которых одна ячейка хранит два бита. Технология хранения двух и более бит в одной ячейке получила название MLC (multilevel cell - многоуровневая ячейка). Достоверно известно об успешных тестах прототипов, хранящих 4 бита в одной ячейке.
В
технологии MLC используется аналоговая природа ячейки памяти. Как известно, обычная однобитная ячейка памяти может принимать два состояния - "0" или "1". Во флэш-памяти эти два состояния различаются по величине заряда, помещённого на "плавающий" затвор транзистора. В отличие от "обычной" флэш-памяти, MLC способна различать более двух величин зарядов, помещённых на "плавающий" затвор, и, соответственно, большее число состояний. При этом каждому состоянию в соответствие ставится определенная комбинация значений бит. Во время записи на "плавающий" затвор помещается количество заряда, соответствующее необходимому состоянию. От величины заряда на "плавающем" затворе зависит пороговое напряжение транзистора. Пороговое напряжение транзистора можно измерить при чтении и определить по нему записанное состояние, а значит и записанную последовательность бит.
Внедрение технологии многоуровневых ячеек в массовое производство флэш-памяти позволит создавать еще более миниатюрные флэш-карты за счет увеличения плотности хранения цифровых данных.
Микросхемы NAND и NOR
В
настоящее время можно выделить две основных структуры построения флэш-памяти: память на основе ячеек NOR и NAND.Структура NOR 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 л
u/im/_publ/hynix/nand
ежит 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.
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.
В настоящее время микросхемы большинства типов флэш-карт изготавливаются по технологии NAND.
Основные характеристики флэш-карт
Преимущества флэш-карт.
Флэш-карты имеют ряд преимуществ перед другими источниками хранения и переноса информации.
| Компактность | Флэш-карты - самые маленькие из всех существующих типов устройств для переноса данных. Сверхкомпактность в сочетании с весом порядка нескольких грамм обеспечивают максимальное удобство в применении. |
| Емкость | Максимальный объем памяти флэш-карт постоянно увеличивается благодаря развитию технологий хранения данных и уже преодолена рекордная планка в 1 Гб. Для сравнения - это уже два компакт-диска CD-R, на которые при современных алгоритмах сжатия можно уместить полнометражный фильм. |
| Энергонезависимость | Тип памяти, применяемой в портативных устройствах, определялся энергопотреблением, например, память, используемая в ОЗУ компьютеров, требует постоянной подачи напряжения. Жесткие диски могут сохранять информацию и без непрерывной подачи электричества, но при записи и считывании данных тратят его за троих. Модули флэш-памяти не разряжаются самопроизвольно и потребляют минимальное количество энергии. |
| Надежность | Твердотельные носители на основе флэш-технологий не имеют движущихся частей, и их отсутствие существенно повышает надежность флэш-памяти. Контакты никогда не соприкасаются друг с другом, и этим достигается повышенная надежность передачи данных. Стандартные рабочие перегрузки равняются 15g, а кратковременные могут достигать 2000g, т. е. теоретически карта должна работать под тяжестью 14 подобных себе или после падения с высоты 3 м. |
| Длительный срок использования | Срок непрерывной эксплуатации различных типов флэш-карт варьируется в больших пределах, но все же он не сравним с остальными устройствами хранения информации. Производители гарантируют функционирование своих карт от 5 до 100 лет. |
| Стоимость | Изначально этот параметр являлся главным недостатком флэш-карт, но с развитием технологий флэш-мегабайт дешевел с каждым днем, а полупроводниковая промышленность уже почти два десятка лет ухитряется ежегодно удваивать емкость твердой памяти, при этом существенно уменьшая ее стоимость. |
| Защита и конфиденциальность | Возможность механического блокирования функций записи с использованием встроенных предохранителей в некоторых типах карт защищает данные от случайного стирания, можно "на лету" решить, какие данные сохранить, а какие стереть. |
| Защита авторских прав | Некоторые виды флэш-карт (например, Magic Gate Memory Stick и Secure Digital) разработаны с применением системы защиты авторских прав, что не позволит их использовать "пиратам". |
/tech/
Наиболее распространенные форматы карт флэш-памяти
Первые типы карт флэш-памяти были разработаны для портативных компьютеров в начале 90-х годов ХХ-века. Это были карты стандарта PCMCIA, который позднее был переименован в PC СARD. Были разработаны три типа карт этого стандарта. При одинаковой длине и ширине (85.6 х 54 мм) эти карты отличались толщиной: тип-1 имел толщину 3.3 мм, тип II – 5 мм и тип III – 10.5 мм. Довольно большие размеры карт PCMCIA препятствовали массовому использованию их в компактной электронной аппаратуре.
Compact Flash (CF)
В 1994 году разработчики компании SanDisk поставили перед собой задачу разработать новый формат, сохранив все преимущества карт АТА 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.К
ux.ua/
арты CompactFlash бывают двух типов: I и II (первого и второго типа), которые практически отличаются только толщиной (3,3 мм и 5 мм, соответственно). 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 типа II, был разработан 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 16 Мб/с, при этом обеспечивается обратная совместимость - 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 Мб\с, так что теоретический предел в 16 Мб\с 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 Мб\с. Сегодня теоретический предел емкости для CF составляет 137 Гб.
В настоящее время эти карты памяти активно используются в фото- и видеотехнике (особенно профессиональной), так как их скорость чтения/записи и объём памяти до сих пор остаётся самыми большими.
SmartMedia
И
нтерфейс: 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.
Карты SmartMedia бывают как на одном, так и на двух чипах NAND.
С
.ru/pubimages/79267.jpg
уществует две разновидности SmartMedia: 5-и и 3-х вольтовы (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.
Разработчики формата решили для уменьшения габаритов флэш-карт SmartMedia не размещать в них элементов управления (контроллер), оставив только сам полупроводниковый носитель и контактную панель. Контроллер должен размещаться в считывающем устройстве, поддерживающем карты SmartMedia. Такое решение привело к некоторым проблемам совместимости – старые устройства не всегда способны работать с новыми картами большого объёма. Также отсутствие встроенного контроллера позволило некоторым производителям устройств использовать свой собственный формат хранения данных, в результате чего карта SmartMedia, отформатированная на одном оборудовании, может не восприниматься другим.
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.
MMC (MultiMedia Card)
И
нтерфейс: последовательный, 7-ми контактный. Разработана в 1997 году компаниями Hitachi, SanDisk и Siemens Semiconductors (Infineon Technologies).К
.ru/
арты 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.
MultiMedia Card работает с напряжением 2.0В - 3.6В, однако спецификацией предусматриваются карты с пониженным энергопотреблением - Low Voltage MMC (напряжение 1.6В - 3.6В). Для совсем уж мобильных устройств Hitachi выпускаются укороченные карты MMC длиной всего 18мм, вместо обычных 32-х.
Карты MMC могут работать в двух режимах: MMC и SPI (Serial Peripheral Interface). Режим SPI является частью протокола MMC и используется для коммуникации с каналом SPI, который обычно используется в микроконтроллерах Motorola и других производителей.
Стандарт SPI определяет только разводку, а не весь протокол передачи данных. По этой причине в MMC SPI используется подмножество команд протокола MMC. Режим SPI предназначен для использования в устройствах, которые используют небольшое количество карт памяти (обычно одну). С точки зрения приложения преимущество использования режима SPI состоит в возможности использования уже готовых решений, уменьшая затраты на разработку до минимума. Недостаток состоит в потере производительности на SPI системах, по сравнению с MMC.
Sony Memory Stick:
И
нтерфейс: последовательный, 10-ти контактный. Разработана в 1998 году компанией Sony.Особенных технических инноваций в MemoryStick не заметно, разве что переключатель защиты от записи (Write Protection Switch) выполнен действительно грамотно, да контакты хорошо упрятали.
Д
.ru/
о недавнего времени карты памяти использовалась исключительно в цифровой фото-, аудио- и видео- технике фирмы Sony. В настоящее время Sony активно продвигает свой формат, и лицензирует технологию другим производителям.
На питание у MemoryStick отведено 4 из 10 контактов, еще 2 контакта зарезервированы, один контакт используется для передачи данных и команд, один для синхронизации, один для сигнализации состояния шины (может находится в 4-х состояниях), а один (sic!) для определения того, вставлена карта, или нет. Карта работает в полудуплексном режиме. Максимальная частота, на которой может работать карта - 20МГц.
Существует разновидность Memory Stick - Memory Stick Magic Gate (сокращенно MG). От обычного Memory Stick, MG отличается лишь цветом (цвет карточки - белый) и поддержкой механизма "защиты авторских прав" - Magic Gate.
С приходам на рынок более компактной мобильной техники перечисленные выше карты памяти стали относительно громоздкими или малоемкими. например флэш - карта Compact Flash по своей ёмкости и скорости чтения/записи не уступает ни одной другой карте, но её относительно большие размеры не позволяют использовать ее в современных мобильных устройствах. У SmartMedia другая проблема: её вместительность, по сравнению с другими картами, на сегодняшний день очень мала. Из за уменьшения размеров и увеличение потребности в памяти современной мобильной техники, разработчикам флэш памяти постоянно приходится уменьшать габариты карт, и повышать ёмкость памяти.В последнее время появилось несколько сверхминиатюрных моделей флэш-карт новых форматов, а также разновидности ранее выпускавшихся форматов с улучшенными параметрами и уменьшенными размерами. Примеры этих карт флэш-памяти приведены в таблице.
Microdrive
Наряду с твердотельными картами флэш-памяти, в качестве носителей информации в малогабаритных цифровых устройствах все шире используются миниатюрные жесткие диски (винчестеры) типа Microdrive. Эти диски, выполненные в форм-факторе флэш-карты CF типа II, были разработаны компаней IBM.
Преимуществами этих крошечных винчестеров являются большая ёмкость и относительная дешевизна. Сейчас на рынке можно найти модели на 6 и даже 8 Гбайт. Последние модели миниатюрных жёстких дисков обладают довольно высокой стойкостью к вибрации и ударам и гарантированно выдерживают 300000 операций парковки головок. Секрет такой живучести – технология Load/Unload.
L
.ru/
oad/Unload пришла на смену технологии Contact Start-Stop (CSS). Если раньше считывающие головки парковались непосредственно на поверхность пластины, то теперь при выключении питания они убираются на специальную рампу. Даже при неожиданном сбое подачи энергии контакт с поверхностью диска невозможен: остаточное вращение шпинделя преобразуется в ток, которого вполне достаточно для парковки головок.
Сведения о том, что MicroDrive ненадёжен и заметно греется в процессе работы, не соответствовали действительности, но энергопотребление у микровинчестера было действительно несколько выше, чем у CF –карт с флэш-памятью, что создавало некоторые проблемы с совместимостью: microDrive мог работать не с каждым устройством, имеющий слот CF.
В
2004 году компания Toshiba представила 0,8” винчестеры, самые маленькие винчестеры на сегодняшний день.Основным преимуществом, на котором основан успех миниатюрных HDD, является низкая относительная цена хранения данных. Емкость жесткого диска в 1 ГБ обойдется пользователю примерно в $50, тогда как флэш-память такого же объема будет стоить в десяток раз дороже.
Однако, на современном этапе развития технологий, миниатюрные винчестеры имеют серьёзные недостатки — относительно большой размер, малая приспособленность к экстремальным условиям эксплуатации и высокую потребляемую мощность.
Технические характеристики карт флэш-памяти различных форматов
| № п/п | Тип флэш-карты | Размер, мм | Объем памяти реальный/ теоретич., Мбайт | Скорость записи, Мбайт/с | Скорость чтения, Мбайт/с |
| | Compact Flash (CF) Type I / II | 42,8x36,4x3,3/ 42,8x36,4x5 | (16/137) Гб | 20 | 20 |
| | Smart Media (SM) | 45 x 37 x 0,76 | 128 / 128 | 3,0 | 5,0 |
| | MultiMedia-Cards (MMC) | 32 x 24 x 1,4 | 4 Гб | 18 | 22,5 |
| | Reduced Size (RS) MMC, MMCmobile | 24 х 18 х 1,4 | 512 / 4 Гб | 2,5 | 2,5 |
| | High speed MMC | 32 x 24 x 1,4 | 4 Гб | 52 | 52 |
| | MMCmicro | 12 x 14 x 1,1 | 128 | 7 | 10 |
| | Memory Stick (MS) | 50 x 21,5 x 2,8 | 128 / 128 | 20 | 20 |
| | Memory Stick Pro | 50 x 21,5 x 2,8 | (4 / 32) Гб | 20 | 20 |
| | Memory Stick Duo | 20 x 31 x 1,6 | 16 /2 Гб | 2,5 | 2,45 |
| | Secure Digital (SD) | 24 x 32 x 2,1 | (8 / 32) Гб | 20 | 20 |
| | miniSD | 21,5 x 20 x 1,4 | 512/4 Гб | 12,5 | 12,5 |
| | microSD | 11 x 15 x 1,0 | | | |
| | xD-Picture Card | 20 x 25 x 1,7 | (1 / 8) Гб | 3,0 | 5,0 |
| | TransFlash | 15 x 11 x 1,0 | 256/4 Гб | 2,5 | 2,5 |
| | card (Mu-Card) | 24 x 32 x 1,4 | 2 Тб | 120 | 120 |
| | RS card | 24 x 18 x 1,4 | 2 Тб | 120 | 120 |
| | C-Flash | 17 x 12 x 1,0 | 1 Гб | | |
| | M1/4-Card | | | | |
| | FISH, Baby FISH | 33 x | 2 Гб / 16 Гб | | |
Использованные информационные ресурсы (Internet-ресурсы):
ссылка скрыта
ссылка скрыта
ссылка скрыта
ссылка скрыта
ссылка скрыта