В. Королев - Компьютер на флешке. Работающие Windows, Linux, Офис и 150 самых полезных программ у вас в кармане

В новой флеш-памяти NOR StrataFlash, разработанной Intel, используются многоуровневые ячейки (MLC, Multi-Level Cell), каждая из которых может хранить по 2 или 4 бит. Для этого заряд условно делится на несколько логически значимых уровней, каждому из которых соответствует определенная комбинация значений булевой логики («истина»/«ложь», т.е. 1/0). Теоретически можно прочитать и записать до 6–8 бит, но на практике при столь большом числе уровней возникают проблемы с паразитными шумами и утечкой заряда при длительном хранении.

Одновременно с Intel компания AMD, известная на заре своего развития именно как производитель флеш-памяти, разработала новую технологию MicroBit для реализации в чипах архитектуры NAND, благодаря которой емкость ячеек можно увеличить вдвое. Решение, по сути дела, простое: плавающий затвор ячейки (полевого транзистора), хранящей заряд, физически делится на два независимых друг от друга элемента конструкции. Таким образом, вместо одной ячейки хранения память имеет дело сразу с двумя.

По сравнению с обычным жестким диском флешки имеют несколько принципиальных отличий. Для начала стоит отметить, что запись на флешку возможна только на предварительно стертые (зачищенные) ячейки. В случае же с жестким диском вполне обычна перезапись данных, когда одни данные записываются поверх других. Думаю, ни для кого не секрет, что когда вы удаляете какой-либо файл, он по-прежнему остается на жестком диске, просто информация о нем стирается из таблицы файловой системы, и он становится как бы невидимым. Отсюда и существование так называемых программ-восстановителей удаленных файлов. Они просто возвращают запись в таблицу файловой системы.

Из-за необходимости предварительной зачистки (стирания) ячеек, для флешек существует некоторая путаница с порциями данных: битом, байтом, блоком чтения/записи и областью стирания. Байт — минимальная величина записанной информации; а блок — минимальное количество байт, которые можно прочесть из памяти за один цикл обращения. Область стирания есть совокупность ячеек, содержимое которых стирается за одну операцию. Минимальной же единицей хранения информации на жестком диске является сектор. Так вот, порции данных флешки (блоки, область стирания), как правило, не совпадают по размеру с сектором жесткого диска. Во избежание несовместимости операционная система реализует как бы виртуальные сектора для флешек, которые фактически формируются блоками чтения/записи, на которые в частности разбивается и область стирания.

Наконец, необходимо отметить, что флеш-память, в отличие от жесткого диска, выдерживает ограниченное количество циклов записи-стирания. В то время как для жесткого диска его долговечность зависит от механической износостойкости. Технологически в идеале возможна практически неограниченная эксплуатация (знай себе намагничивай и размагничивай). Для разных флешек число повторных стираний варьируется примерно от 100 тыс. до 1 млн. Чтобы оценить эти цифры, представьте, что каждый день, 365 дней в году вы будете по 100 раз на дню мучить свою флешку. Так вот, даже при наихудшем прогнозе вам должно хватить ее на три года. Бывают, конечно, исключения (брак, неправильная эксплуатация), но в целом именно так.

По мере приближения к предельному значению циклов чтения/записи ячейка флеш-памяти начинает все хуже и хуже «себя вести»: либо запись происходит с ошибкой, либо блок не поддается стиранию с первой попытки. В результате вскоре блок помечается как дефектный и не участвует уже более в работе флешки.

Отсюда наиболее распространенным способом продления срока жизни флешки является технология управления ее износом (Wear Leveling Control), суть которой состоит в том, чтобы обеспечить наиболее равномерное использование ячеек флеш-памяти путем равномерного распределения циклов чтения/записи по разным блокам.

Что касается контроля надежности хранения информации на флешке, то он производится непосредственно во время записи: встроенный механизм соотносит сохраненную информацию с исходной с помощью компаратора. Возможна также дополнительная проверка. Все зависит от того, какие технологии заложил производитель в свои изделия.

Файловая система флеш-памяти (Flash File System, FFS) состоит из модулей управления пространством, «сборкой мусора», износом и интерфейсом, а также блока инициализации. Общение ОС с флеш-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 [1].

При записи координаты сектора преобразуются в собственную систему флеш-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 размер 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 флеш-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 ОС.

Процесс удаления записанных, но более не используемых (недействительных) блоков памяти носит название «сборки мусора» (Garbage Collection).

На заре развития флеш-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. Однако его нельзя признать достаточно оптимальным. Поэтому сегодня эта процедура запускается в те моменты, когда нет обращений системы к виртуальному диску [1].

Перед выполнением «сборки мусора» необходимо выполнить поиск соответствующих фрагментов памяти, учесть количество недействительных блоков чтения/записи и число предшествующих циклов стирания, а также выявить области, в которых информация обновляется чаще, чем в других (в таких случаях особую важность приобретает проблема физического износа ячеек памяти).