PAMIĘĆ FLASH – 

BUDOWA I 

ZASADA 

DZIAŁANIA

Autorzy:
Michał Góra
Ariel Gierczak

Budowa komórki układu Flash

Pamięć  flash  jest  odmianą  pamięci 
EEPROM 

(Electrically 

Erasable 

Programmable  Read-Only  Memory). 
Kasowanie  i  zapis  odbywa  się  przez 
podanie 

odpowiednich 

sygnałów 

elektrycznych. 

Nazwa 

"flash" 

pochodzi 

od 

możliwości 

bardzo 

szybkiego 

kasowania 

zapisanych 

komórek pamięci.

Zasadza działania

Zasada  działania  opiera  się  na  przechowywaniu  informacji  w 
tranzystorach  polowych  MOSFET.  Zwykły  tranzystor  składa  się  ze 
źródła  i  drenu  -  półprzewodnika  typu  N+  (P+)  oddzielonego 
półprzewodnikiem  typu  P  (N)  nad  którym  umieszczona  jest 
elektroda - bramka.

Napięcie bramki jest równe napięciu 
podłoża - tranzystor  wyłączony

Przyłożenie napięcia do bramki 
wywołuje pole elektryczne w 
półprzewodniku typu P (N) – 
tranzystor włączony

Tranzystor  tego  typu  pobiera  prąd  tylko  w  momencie  przełączania 
stanu.  Jedna  komórka  pamięci  Flash  składa  się  z  takiego  tranzystora, 
który  pomiędzy  podłożem,  a  bramką  sterującą  (Control  Gate)  posiada 
odizolowaną bramkę pływającą (Floating Gate).

Pamięci  Flash  występują  w  dwóch  odmianach  NOR  i  NAND.  Różnica  w 
konstrukcji  polega  na  połączeniu  komórek  w  równolegle  (NOR)  lub 
szeregowo  (NAND).  Pamięci  NAND  nie  mogą  być  odczytywane  zupełnie 
swobodnie,  a  jedynie  porcjami  -  stronami  po  kilka  kB.  Ponadto  w 
porównaniu do pamięci NOR mają krótsze czasy zapisu, odczytu, większą 
gęstość  zapisu  i  niższy  koszt  na  MB  pojemności.  Także  wytrzymałość 
liczby  cykli  P/E  jest  do  10  razy  większa.  W  niektórych  zastosowaniach 
wymagany  jest  dostęp  zupełnie  swobodny,  który  zapewnia  pamięć  typu 
NOR.
  

Pamięć NOR

Pamięć NAND

NOR vs NAND

Organizacja bloków

Oprócz  pamięci  na  dane  współczesne  układy 
posiadają oddzielne kilka bajtów na każdy blok do 
przechowywania 

sum 

kontrolnych 

(Error 

Correction Code). 
Typowe  rozmiary  stron  i  bloków  współczesnych 
pamięci NAND wynoszą: 

- 32 strony x 512 B + 16 B na ECC = blok 16 kB
- 64 strony x 2048 B + 64 B na ECC = blok 128 kB
- 64 strony x 4096 B + 128 B na ECC = blok 256 kB
- 128 stron x 4096 B + 128 B na ECC = blok 512 kB

Ograniczona liczba cykli zapisu/kasowania

  Problem  zużywania  się  pamięci  rozwiązuje  się  na 

kilka sposobów: 
- Równoważenie zużycia wszystkich bloków. 
- Oznaczanie zużytych bloków jako Bad Block. 
- 

Adaptacje 

istniejących 

systemów 

plików 

oszczędzają  cykle  kasowania  korzystając  z  warstwy 
programowej (Flash Translation Layer - FLT).
-  Układy  firm  Compact  Flash  i  Secure  Digital  mają 
wbudowane  sprzętowe  mechanizmy  wydłużające 
życie pamięci. 
-  Trzymanie  plików  często  odczytywanych  i  rzadko 
zapisywanych, a częste zapisy (np. stronicowanie) są 
wykonywane na magnetycznych dyskach twardych. 

SLC vs MLC

Aktualne  trendy  rozwoju  pamięci  flash  idą  w  dwóch  kierunkach  - 
wysokiej odporności na błędy i wysokiej gęstości zapisu. Podział ten jest 
realizowany  poprzez  trzymanie  jednego  bitu  w  kilku  komórkach  lub  w 
wielu  bitów  w  jednej  komórce.  Technika  ta  nosi  nazwę  Multi-Level  Cell 
MLC w odróżnieniu od Single-Level Cell SLC. I tak 4 poziomy - 0, 1/3, 2/3 
i 1 umożliwiają zapisanie 2 bitów w jednej komórce. 

W  czerwcu  2008  południowokoreańska  firma  Hynix  zaprezentowała 
układy  MLC  NAND  o  8  poziomach,  czyli  3  bitach  na  komórkę.  W 
porównaniu  do  SLC  pamięci  MLC  mają  2-3  krotnie  wyższą  gęstość 
zapisu,  wolniejszy  czas  odczytu  o  kilkadziesiąt  procent  i  10-krotnie 
mniejszą żywotność. Problemem jest też podatność na błędy i gubienie 
informacji przy zmianach temperatur.

Rozkład napięć dla zapisu MLC

CompactFlash

-Maksymalna prędkość transmisji 
danych 
wynosi 133 MB/s.
-Rozmiar: 
 42.8mm x 36.4mm x 3.3mm dla typu I
 42.8mm x 36.4mm x 5.0mm dla tupu II 

-Napięcie zasilania: 3.3 i 5.0 V 
-Temperatura pracy od 0 do 70 stopni 
Celsjusza
- Wytrzymałość elektryczna: 
1.000.000 cykli odczytu/zapisu (w 
przypadku kart pamięci) 
- Waga: maks 11.4 gram 

Interfejs jest elektrycznie zgodny ze 
standardem IDE oraz wykorzystywanym w 
laptopach PCMCIA

-Ukazany na rynku w 1994 roku. 
-Pierwsze  powszechnie  dostępne 
na rynku karty pamięci flash. 
-Dostępne  w  rozmiarach  od 
16MB 

do 

12GB. 

Aktualna 

specyfikacja 

w 

wersji 

2.0 

przewiduje  karty  o  rozmiarze  do 
137GB  i  prędkości  transmisji 
danych do 16MB/s. 
-Najszybsze  dostępne  obecnie  na 
rynku karty posiadają indeks x80. 
Compact  Flash  jest  najstarszą  i 
zarazem 

największą 

kartą 

pamięci. 

SmartMedia

- Opracowana przez Toshibę w 1996 roku. 
- Składają się  z pojedynczego chipa pamięci Flash (typu 
NAND) i nie mają żadnego kontrolera. 
-Przez  to  wszelkie  operacje  odczytu/zapisu  polegają  na 
kontrolerze  wbudowanym  w  urządzenie  obsługujące 
kartę. 
-Karty SmartMedia były znane jako jedne z najcieńszych i 
najlżejszych kart pamięci na rynku. 
-Mierzą  zaledwie  45x  37  x  0.76  mm  i  ważą  poniżej  1.8 
grama. 

Główne założenia: 
Średni czas między awariami: 1.000.000 godzin 
Wytrzymałość mechaniczna: minimum 10.000 włożeń 
Wytrzymałość elektryczna: 1.000.000 cykli 
odczytu/zapisu 
Wytrzymałość na uderzenia: 1000G 
Wytrzymałość na wstrząsy: 15G 
Na rynku dostępne są karty o 
pojemnościach 2, 4, 8, 16, 32, 64 i 128MB. 

Ich główną zaletą jest cena, 
a wynika to  z konstrukcji karty. 

Memory Stick i Memory Stick Pro

-Karta opracowana przez Sony.
-Karty  pamięci  stałej  dzielą  się  na  "zwykłe"  Memory  Stick  oraz 
Memory Stick Pro. 
-  Używana  głównie  w  aparatach  cyfrowych  Sony,  konsolach  do 
gier  Playstation  i  telefonach  komórkowych  marki  Sony  Ericsson 
oraz NEC.

-Rozmiar karty, który można przyrównać do 
baterii  "paluszka"  AA,  a  więc  50  x  21.5  x 
2.8 mm.

-Mniejsze  -  DUO  -  są  wielkości  znaczka 
pocztowego: 31mm x 20mm x 1.6mm. 

-  Wersja  Memory  Stick  PRO  charakteryzuje  się 
zwiększoną  prędkością  przesyłu  danych  oraz  większą 
pojemnością.
-  Wersja  Memory  Stick  Duo  oraz  Memory  Stick  PRO 
Duo  to  wersje  kart  pamięci,  w  których  wielkość  karty 
zredukowano o połowę.
-  Wersja  Memory  Stick  Micro,  zwana  również  M2,  to 
miniaturowa wersja karty Memory Stick – o rozmiarach 
prawie  czterokrotnie  mniejszych  od  standardowej. 
Używana była w telefonach Sony Ericsson.
-  Obecnie  Memory  Stick  produkowana  jest  nie  tylko 
przez Sony ale m.in. przez Sandisk czy Lexar

Memory Stick i Memory Stick Pro

Standard/Duo:
4 MB, 8 MB, 16 MB, 32 MB, 64 MB, 
128 MB

PRO/PRO Duo:
64 MB, 128 MB, 256 MB, 512 MB, 1 
GB, 2 GB, 4 GB, 8 GB, 16 GB, 32 GB
Micro (M2):
64 MB, 128 MB, 256 MB, 512 MB, 1 
GB, 2 GB, 4 GB, 8 GB, 16 GB

Prędkość transferu danych
Standard:
Maksymalna prędkość zapisu: 14,4 Mb/s (1,8 MB/s)
Maksymalna prędkość odczytu: 19,6 Mb/s (2,5 MB/s)
PRO/PRO Duo:
Transfer: 160 Mb/s (20 MB/s)
Minimalna prędkość zapisu: 15 Mb/s
Maksymalna prędkość zapisu: 80 Mb/s (High Speed PRO 
Duo)
Micro (M2):
Transfer: 160 Mb/s (20 MB/s)

MultiMedia Card

- Swój debiut na rynku miały w listopadzie 1997. 
-  Standard  MMC  został  opracowany  przez  spółkę  SanDisk  Corporation  oraz 
Siemens. 
- W chwili premiery były to najmniejsze karty Flash , mające 24mm x 32mm 
x 1.4 mm. 

-Ze  względu  na  swoje  rozmiary  i  wagę  (poniżej  2  gram)  używane  do 
telefonów komórkowych i odtwarzaczy mp3.

-  -  Istnieją  w  dwóch  wariantach,  rzadko  spotykanym  ROM,  czyli  stałej 
pamięci tylko do odczytu, a także w klasycznych Flash. 
-  Oba  rodzaje  do  komunikacji  ze  używają  7  pinowego  interfejsu 
szeregowego o szerokości 1, 4 i 8 bitów. 

19 

Marca 

2004 

roku 

firma 

SanDisk 

zaprezentowała  ich  jeszcze  mniejsza  wersje.  RS-
MMC  (Reduced  Size  MultiMedia  Card,  czyli  karty 
MMC  o  zmniejszonym  rozmiarze).  Jedyną  różnicą 
miedzy  kartami  RS-MMC  a  MMC  jest  właśnie 
rozmiar 24.0mm x 18.0mm x 1.4mm, 

Secure Digital

-  Zostały  wprowadzone  na  rynek  pod  koniec  2001  roku,  przez  Toshibe  i 
Panasonica. 

-Głównym  powodem  powstania  SD  była  jednak  potrzeba  implementacji 
mechanizmu ochrony danych przed kopiowaniem.

-Powierzchnia adresowana jest zgodna z systemem plików FAT32
-  Karty  miniSD  mają  zaledwie  21.5mm  x  20mm  x  1.4mm  i  ważą  poniżej 
jednego grama. W chwili premiery dostępne były karty o pojemności 16, 
32 i 64MB, a dziś można dostać karty o rozmiarach do 4 GB. 

-Karty od 4 GB do 32 GB określane są jako SDHC

Aktualny wskaźnik prędkości kart:
klasa 2: 16 Mb/s (2 MB/s) -
klasa 4: 32 Mb/s (4 MB/s)
klasa 6: 48 Mb/s (6 MB/s)
klasa 10: 80 Mb/s (10 MB/s) 

Karty pamięci SD są powszechnie 
stosowane w:
- Cyfrowych aparatach fotograficznych
- Kamerach cyfrowych
- Palmtopach
- Telefonach komórkowych
- Urządzeniach do nawigacji satelitarnej 
i odbiornikach GPS
- Odtwarzaczach MP4/MTV
- Konsolach GBA/SP

xD Picture

- Z kart pamięci xD korzystają cyfrowe aparaty fotograficzne 
Olympus oraz Fujifilm, a także cyfrowe dyktafony Olympus. 

-W obecnej chwili są dostępne w pojemnościach 16 MB, 32 MB, 
64 MB, 128 MB, 256 MB, 512 MB, 1 GB oraz 2 GB. Karta ma 
wymiary 20 mm × 25 mm × 1.78 mm (porównywalne ze 
znaczkiem pocztowym)  

-Waży 2.8 g.

- Karty te zadebiutowały na rynku w lipcu 2002 
r. 
- Produkują je Toshiba i Samsung

Budowa pendrive

Klasyczny pendrive składa się z:
- płytki PCB (3)
- wtyku USB typu A (4)
- kontrolera (2)
- nieulotnej pamięci NAND (1)

Dodatkowe elementy to:
- regulator napięcia 5 do 3.3 V
- rezonator kwarcowy zwykle 12 MHz
- elementy dodatkowe jak złącze 
serwisowe, blokada zapisu .

Dysk SSD

Solid-state drive
- urządzenie pamięci masowej
- zbudowane w oparciu o pamięć typu flash
- brak elementów elektromechanicznych, tylko układy 
scalone
- dane zapisane są w bramkach przechowujących 
elektrony

SSD - zalety
- mniejszy czas dostępu do danych 
- większe prędkości zapisu i odczytu
- mniejszy pobór energii

-odporność na przeciążenia, wstrząsy 
i wibracje

-szeroki zakres temperatur, 
w których mogą pracować

-przeważnie są lżejsze

SSD - wady
- ograniczona żywotność
-MLC do 10 000 zapisów jednej 
komórki
-SLC do 100 000 zapisów jednej 
komórki
-ciągle ceny o rząd wielkości 
wyższe
wolniejsze nadpisywanie małych 
obszarów
-realna awaryjność

Porównanie wydajności HDD i 

SSD w teście PCMark

SSD - czyszczenie i zapis segmentów
- ”pusty” (wymazany) segment flash jest wypełniony jedynkami
- można zmienić pojedyncze bity z 1 na 0
- nie można zmienić z 0 na 1 (by to zrobić trzeba wymazać cały 
segment)
-segmenty są dość duże (zazwyczaj 256KB)
-zapis jest szybki jeśli jest dużo czystych segmentów

komenda TRIM
- zazwyczaj dysk twardy nie wie, które sektory są nieużywane
- to system plików obsługuje usuwanie plików
- dla dysku twardego każdy sektor jest używany
- nie można było powiedzieć poprzez interfejs (S)ATA dyskowi, że dany 
sektor jest nie używany

-dlatego rozszerzono interfejs ATA o tę możliwość (TRIM)

-wsparcie w Linux 2.6.33+, Windows 7

Nowe wymagania dla systemów plików
- ograniczona żywotność komórek
- czyszczenie nieużywanych bloków w tle (np. TRIM)
- duże segmenty - ”fragmentacja” wewnętrzna
- problemy z nadpisywaniem segmentów

-np. utrata zasilania między czyszczeniem a pisaniem
-również obniżona wydajność tej operacji

NilFS
Mocny  nacisk  na  robienie  snapshot,  słabe/brak  wsparcia  dla  SSD. 
Można  jednocześnie  czytać  ze  snapshotów  podczas  korzystania  z 
dysku. 
LogFS
Prosty, nie wspiera snapshotów. Montowanie w czasie O(log(n)).
JFFS2
Nie  przechowuje  drzewa  katalogów  na  dysku.  Montowanie  w  czasie 
O(n). Nie wspiera snapshotów. W praktyce nadaję się tylko do małych 
nośników
ZFS
Bardzo  zaawansowany  system  plików  tworzony  przez  system  Sun. 
Używany  na  długo  przed  powstaniem  komercyjnych  SSD.  Ma  bardzo 
wiele ciekawych funkcjonalności, ale do pełnego ich wsparcia wymaga 
sprzętu. Tworzony pod kątem serwerów. Udostępniony na licencji open 
source CDDL, co w praktyce uniemożliwia wykorzystania jego w Linux.
Btrfs
Bardzo  złożony  i  zaawansowany  system  plików,  w  założeniu  ma  być 
odpowiednikiem  ZFS  na  licencji  GPL.  Projektowany  głównie  do 
serwerów, niekoniecznie z dyskami SSD .

Systemy plików na pamięci 

Flash

Dziękujem

y za 

uwagę