Петр Ташков - Восстановление данных на 100%

Рис. 4.1. Ячейка flash-памяти

Концентрация электронов в области плавающего затвора определяет одно из двух устойчивых состояний транзистора – ячейки памяти. В первом, исходном, состоянии количество электронов на плавающем затворе мало, а пороговое напряжение открытия транзистора относительно невысоко (логическая единица). Когда на плавающий затвор занесено достаточное количество электронов, транзистор оказывается во втором устойчивом состоянии. Напряжение открытия его резко увеличивается, что соответствует логическому нулю. При считывании измеряется пороговое напряжение, которое нужно подать на сток для открытия транзистора. Для удаления информации на управляющий затвор кратковременно подается отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора диффундируют обратно на исток. Транзистор вновь переходит в состояние логической единицы и остается в нем, пока не будет произведена очередная запись. Примечательно, что во flash-памяти один транзистор хранит один бит информации – он и является ячейкой. Весь процесс «запоминания» основан на диффузии электронов в полупроводнике. Отсюда следуют два не очень оптимистичных вывода.

• Время хранения заряда очень велико и измеряется годами, но все же ограничено: законы термодинамики и обратной диффузии.

• По той же причине ограничено число циклов записи-перезаписи: от ста тысяч до нескольких миллионов. Со временем неизбежно происходит деградация самого материала и р-п-переходов. Например, карты Kingston Compact Flash рассчитаны на 300 000 циклов перезаписи, Transcend Compact Flash – на 1 000 000, а flash-диск Transcend 1Gb USB – всего на 100 000.

Существуют две архитектуры flash-памяти. Они отличаются способом обращения к ячейкам и, соответственно, организацией внутренних проводников.

• Память NOR (ИЛИ-НЕ) позволяет обращаться к ячейкам по одной. К каждой ячейке подходит отдельный проводник. Адресное пространство NOR-памяти позволяет работать с отдельными байтами или словами (2 байта). Такая архитектура накладывает серьезные ограничения на максимальный объем памяти на единице площади кристалла. Память NOR сегодня используется лишь в микросхемах BIOS и других ПЗУ малой емкости, например в сотовых телефонах.

• В памяти архитектуры NAND (И-НЕ) каждая ячейка оказывается на пересечении «линии бит» и «линии слов». Ячейки группируются в небольшие блоки по аналогии с кластером жесткого диска. И считывание, и запись осуществляются лишь целыми блоками или строками. Все современные съемные носители построены на памяти NAND.

Крупнейшими производителями NAND-чипов являются компании Intel, Micron Technology, Sony и Samsung. Ассортимент выпускаемых чипов довольно велик, а обновление его происходит несколько раз в год.

Контроллеры

Для управления чтением и записью служит контроллер памяти. В настоящее время контроллер всегда выполняется в виде отдельного элемента (это либо микросхема одного из стандартных форм-факторов, либо бескорпусный чип, встраиваемый в карту памяти), хотя ведутся работы по интеграции контроллера непосредственно в кристалл flash-памяти.

Контроллеры разрабатываются и выпускаются под совершенно определенные микросхемы flash-памяти. Способ адресации ячеек конструктивно заложен в контроллере. Данные при записи в микросхему flash-памяти располагаются определенным способом, меняющимся от модели к модели. Производители эти тонкости не раскрывают и, по всей видимости, раскрывать не планируют. Очевидно, микропрограмм контроллеров создается значительно больше, чем самих моделей контроллеров. Микропрограмма контроллера (прошивка) и таблица трансляции адресов (транслятор) записываются в служебную область flash-памяти. Именно эту область контроллер начинает считывать сразу после подачи на него питания. Кроме собственно адресации ячеек, контроллер выполняет ряд других функций: функции контроля bad-секторов, коррекции ошибок (ECC – error check and correct) и равномерности износа ячеек (wear leveling).

Технологической нормой при изготовлении микросхем памяти считается наличие в них в среднем до 2 % нерабочих ячеек. Со временем их количество может еще увеличиваться, поэтому, как и в винчестерах, во flash-памяти предусмотрен резервный объем. Если появляется дефектный сектор, контроллер в процессе форматирования или записи подменяет его адрес в таблице размещения файлов адресом сектора из резервной области. Коррекция осуществляется контроллером, но реализуется на уровне файловой системы конкретного носителя.

Из-за ограниченного ресурса ячеек (порядка нескольких миллионов циклов чтения/записи для каждой) в контроллер заложена функция учета равномерности износа. Чтобы запись информации осуществлялась равномерно, свободное пространство условно разбивается на участки, и для каждого из них учитывается количество операций записи. Статистика циклов заносится в скрытую служебную область памяти, и за этими сведениями контроллер периодически обращается к ней. На адресацию это не влияет.

Конструкция flash-диска USB

Несмотря на разнообразие корпусов, все flash-диски USB устроены одинаково. Половинки корпуса часто соединены защелками и обычно легко разбираются. Исключение составляют водонепроницаемые или ультрамодные корпуса – для их вскрытия иногда приходится разрезать склеенные или залитые герметиком детали.

На плате внутри flash-диска USB (рис. 4.2) обязательно присутствуют две микросхемы: чип памяти и контроллер. На обеих нанесена заводская маркировка. Иногда плата несет два чипа flash-памяти, которые работают в паре. Обвязка микросхем состоит из нескольких резисторов и диодов, стабилизатора питания и кварцевого резонатора. В последнее время стабилизатор все чаще встраивается непосредственно в контроллер, и число навесных элементов сокращается до минимума. Кроме того, на плате могут находиться светодиодный индикатор и миниатюрный переключатель для защиты от записи.

Рис. 4.2. Устройство flash-диска

Разъем USB припаян непосредственно к плате. Места пайки контактов во многих моделях являются довольно уязвимыми, поскольку на них приходится механическая нагрузка при подключении и отключении устройства.

Виды и конструкция карт памяти

Многие компании время от времени предлагали пользователям разные конструкции карт памяти. За редкими исключениями все они несовместимы между собой по числу и расположению контактов и электрическим характеристикам. Flash-карты бывают двух типов: с параллельным (parallel) и последовательным (serial) интерфейсом.

В табл. 4.1 перечислены 12 основных типов карт памяти, которые встречаются в настоящее время. Внутри каждого типа существуют свои дополнительные разновидности, с учетом которых можно говорить о существовании почти сорока видов карт.

Карты MMC могут работать в двух режимах: MMC (MultiMedia Card) и SPI (Serial Peripheral Interface). Режим SPI является частью протокола MMC и используется для коммуникации с каналом SPI в микроконтроллерах компании Motorola и некоторых других производителей.

В слот для карты SD (Secure Digital) можно вставить карту MMC (MultiMedia Card), но не наоборот. В контроллер карты SD заложено аппаратное шифрование данных, а сама память снабжена специальной областью, в которой хранится ключ шифрования. Сделано это для того, чтобы препятствовать нелегальному копированию музыкальных записей, для хранения и продажи которых и задумывался такой носитель. На карте сделан переключатель защиты от записи (write protection switch).

Карты CompactFlash (CF) можно легко вставить в разьем PCMCIA Type II. Несмотря на то что у PCMCIA 68 контактов, а у CF – только 50, конструкция карт CompactFlash обеспечивает полную совместимость и обладает всеми функциональными возможностями формата PCMCIA-ATA.

Все карты памяти Memory Stick (стандарт корпорации Sony) относительно совместимы между собой. Стандартом теоретически предусмотрен объем карты памяти до 2 Тбайт, хотя в реальности емкость достигает единиц гигабайт.

Карты SmartMedia практически не используются, но их можно встретить в очень старых фотоаппаратах, хотя это был единственный стандарт, в котором контроллер находился не внутри карты, а в устройстве считывания.

Конструкция карт памяти неразборная – это непригодное для ремонта устройство. Бескорпусные микросхемы вместе с выводами залиты в компаунд и все вместе спрессованы в пластиковую оболочку. Добраться до кристалла можно лишь путем вскрытия устройства, но при этом почти неизбежно повреждение проводников.

Устройства считывания

Для считывания flash-диска USB достаточно обычного порта USB: подобные устройства благодаря своему контроллеру видятся компьютером как стандартный съемный диск. Контроллеры всех карт памяти обращены вовне последовательными или параллельными интерфейсами – контактами на карте. Для каждого из этих интерфейсов нужен соответствующий переходник – дополнительный контроллер, согласующий этот интерфейс со стандартным портом USB.