|
حافظه فلش
محمدتقي رسولي
|
|
|
حافظه فلش نوعي از EPPROM (حافظه فقط خواندني قابل برنامه ريزي و قابل پاك شدن به صورت الكتريكي) است كه اجازه نوشته شدن يا پاك شدن مكان هاي حافظه را در يك عمليات اجرايي مي دهد. مطابق استاندارد ليمن، فلش نوعي تراشه حافظه قابل بازنويسي است كه برخلاف تراشه هاي RAM(حافظه دسترسي اتفاقي) محتويات خود را بدون نياز به منبع الكتريكي نگاه مي دارد. فلش همچنين نوعي از يك حافظه نوشتني- خواندني غيرفرّار (NVRWM) مي باشد. اين حافظه عموما در كارت هاي حافظه درايوهاي فلش USB پخش كننده و دوربين ديجيتال و تلفن هاي همراه كاربرد دارد.
كليات
حافظه فلش يك حافظه غيرفرّار است؛ به اين معني كه براي نگه داشتن اطلاعات ذخيره شده در تراشه، نيازي به منبع برق ندارد. به علاوه، حافظه فلش زمان دسترسي سريع تري را به اطلاعات ارائه مي دهد(البته نه به سرعت حافظه هاي PRAM موجود در مادربرد كامپيوترهاي خانگي) و مقاومت بهتري در برابر ضربه نسبت به ديسك سخت دارد. اين خصوصيت، دليل همه گيري حافظه فلش براي كاربردهاي جايگزين ذخيره سازي روي دستگاه هاي باتري خور است.
اصول كاركرد
حافظه فلش، اطلاعات را در يك آرايه از ترانزيستورهاي دروازه شناور ذخيره مي كند كه سلول ناميده مي شود كه هر كدام از آنها معمولا يك «بيت» اطلاعات را ذخيره مي كند. دستگاه هاي حافظه فلش جديدتر كه با عنوان دستگاه هاي سلول چند سطحي شناخته مي شوند، به وسيله تغييردادن تعداد الكترون هاي قرارگرفته روي دروازه شناور هر سلول مي توانند در هر سلول بيش از يك «بيت» ذخيره كنند.
در فلش هاي NOR هر سلول شبيه يك MOSFET (تزانزيستور پايه اي نيمه هادي اكسيد فلزي) استاندارد است اما با اين فرق كه به جاي يك دروازه، دو دروازه دارد. يك دروازه مانند ساير ترانزيستورهاي MOS (نيمه هادي اكسيد فلزي) دروازه كنترل است (CG) اما دروازه دوم، يك دروازه شناور(FG) است كه دورتادور سطح آن به وسيله يك لايه اكسيد، ايزوله شده است.
آن دروازه شناور بين دروازه كنترل و لايه زيرين قرار گرفته است چون دروازه شناور به وسيله لايه اكسيد عايق خود ايزوله شده است و هر الكترون قرار گرفته روي آن در آنجا به دام مي افتد و بدين ترتيب اطلاعات را ذخيره مي كند. وقتي الكترون ها روي دروازه شناور هستند، آنها به صورت جزئي، ميدان مغناطيسي حاصل از دروازه كنترل را تحت تاثير قرار مي دهند كه به نوبه خود ولتاژ آستانه سلول را تغيير مي دهند بنابراين هنگامي كه سلول به وسيله قرارگرفتن يك ولتاژ معين روي دروازه كنترل خوانده مي شود، جريان الكتريكي ممكن است پيدا شود يا نشود كه بستگي به Vt(ولتاژ آستانه سلول) دارد كه به وسيله تعداد الكترون هاي روي دروازه شناور كنترل مي گردد. اين وجود يا عدم وجود جريان، حس شده و به صورت صفر و يك ترجمه مي گردد كه اطلاعات ذخيره شده را بازيابي و در يك دستگاه با سلول هاي چند سطحي كه بيش از يك بيت از اطلاعات را در هر سلول ذخيره مي كند.
به جاي تشخيص ساده وجود يا عدم وجود جريان براي تعيين تعداد الكترون هاي ذخيره شده در دروازه شناور تعداد جريان است كه حس مي شود. يك سلول فلش NOR به وسيله راه انداختن جريان الكترون ها از منبع به خروجي برنامه ريزي مي شود و سپس يك ولتاژ قوي قرار گرفته روي دروازه كنترل، يك ميدان الكتريكي قوي براي جذب كردن الكترون ها روي دروازه شناور ايجاد مي كند. اين رويداد با عنوان تزريق الكترون داغ شناخته مي شود و براي پاك كردن (تبديل تمام سلول ها به مقدار يك جهت آماده شدن براي برنامه ريزي) مورد استفاده قرار مي گيرد. در يك سلول فلش NOR يك ولتاژ جزئي بزرگ بين دروازه كنترل و منبع قرار مي گيرد كه الكترون ها را از ميان تونل كوانتوم مي كشد.
در دستگاه هاي تك ولتاژي (كه در واقع دستگاه هاي امروزي از اين نوع هستند) ولتاژ بالا توسط يك پمپ شارژ تراشه اي توليد مي گردد. اكثر اجزاي حافظه فلش NOR پيشرفته به قطعاتي تقسيم شده اند كه معمولا بلوك يا قطاع ناميده مي شوند. تمام سلول هاي حافظه موجود در يك بلوك، همزمان پاك مي شود. گرچه برنامه ريزي NOR به گونه اي است كه عموما مي تواند روي يك بايت يا يك WORD به صورت جداگانه اعمال گردد. فلش NAND از تزريق تونلي براي نوشتن و رهاسازي تونل براي پاك كردن استفاده مي كند. حافظه فلش NAND هسته دستگاه هاي ذخيره سازي رابط USB را كه به عنوان گرداننده هاي كليدي (KEY DRIVE) شناخته مي شوند تشكيل مي دهد.
محدوديت ها
يك محدوديت حافظه فلش اين است كه با وجودي كه مي تواند بايت به بايت يا كلمه به كلمه نوشته يا برنامه ريزي شود، بايد بلوك به بلوك پاك شود. در يك بلوك تازه پاك شده، هر بايت از بلوك مي تواند نوشته شود گرچه وقتي يك بايت نوشته شد قابل تغيير مجدد نيست مگر اينكه كل بلوك پاك شود. به بيان ديگر حافظه فلش (به خصوص فلش NOR) عمليات برنامه ريزي و خواندن دسترسي تصادفي را ارائه مي دهد اما نمي تواند عمليات پاك كردن يا بازنويسي دسترسي تصادفي را ارائه دهد. در مقايسه با يك درايو ديسك سخت، محدوديت هاي بيشتري نمايان مي گردد. حافظه فلش تعداد چرخه نوشتن و پاك كردن محدودي دارد (اكثر محصولات EEP ROM تجاري موجود تا ۱۰۶ چرخه برنامه نويسي گارانتي شده اند)؛ بنابراين هنگام انتقال برنامه هايي كه براي ديسك هاي سخت طراحي شده اند نظير سيستم هاي عامل به يك دستگاه حافظه فلش بايد دقت نمود. اين تاثير به صورت محدود به وسيله برخي نرم افزارها يا فايل هاي سيستمي كه تعداد نوشتن ها را شمرده و بلوك ها را به صورت پويا برنامه ريزي مي كند تا عمليات نوشتن بين بلوك ها تقسم گردد، كاهش مي يابد.
PDA تنگستن T6 و تلفن هوشمند TREO650 از شركت PALM ONE ارائه شده در سال ۲۰۰۴ از فلش NAND براي پشتيباني از محتويات حافظه اصلي هنگام عمليات معمولي استفاده كرده است. شركت PALM ONE اين تكنيك را سيستم فايل غيرفرّار (NVFS ) ناميده است. اين تكنيك ايده اي براي ذخيره سازي حافظه هاي دسترسي اتفاقي كه اطلاعات خود را در صورت قطع كردن منبع تغذيه حفظ مي كند ارائه مي دهد.
قيمت دو بايت روي حافظه فلش به طور قابل توجهي بالاتر از قيمت مشابه روي ديسك سخت مي باشد و اين موضوع، حافظه فلش را از تبديل شدن به جايگزيني ثابتي براي حافظه سخت در كامپيوترهاي روميزي و كيفي باز مي دارد.
دسترسي سطح پايين
دسترسي سطح پايين به يك حافظه فلش به وسيله نرم افزارهاي كامپيوتر با دسترسي با حافظه هاي رايج متفاوت است؛ در صورتي كه يك RAM معمولي به سادگي به فرامين خواندن و نوشتن با بازگرداندن مقادير يا پردازش آنها به صورت آني پاسخ مي دهد، حافظه هاي فلش نياز به يك توجه خاص به خصوص هنگامي كه به عنوان واسطه حافظه برنامه نويسي براي يك حافظه فقط خواندني عمل مي كند دارند، در حالي كه نوشتن اطلاعات روي آدرس هاي مستقل و جداگانه در حافظه هاي NOR (نه حافظه هاي NAND) وجود دارد، اما پاك كردن و عمليات بازنويسي به صورت بلوك به بلوك، روي حافظه فلش امكان دارد. سايز يك بلوك معمولي ۶۴،۱۲۸ يا ۲۵۶ كيلو بيت است.
حافظه هاي NOR
حالت فقط خواندني حافظه هاي NOR شبيه خواندن از يك حافظه مشترك، آدرس دهي اطلاعات و اصلاح مسير اطلاعات است. بنابراين حافظه فلش NOR بسيار شبيه حافظه داراي آدرس دهي است. حافظه هاي فلش NOR مي توانند به عنوان حافظه عمل گر محلي استفاده شوند، بدين معني كه مانند يك حافظه RAM كه براي آدرس خاصي نقشه دهي شده، رفتار مي نمايند.
در زمان بازگشايي، پاك كردن و نوشتن حافظه هاي NOR، دستورات معيني در صفحه اول حافظه نقشه نوشته مي شود. اين دستورات با عنوان رابط مشترك فلش (تعريف شده به وسيله شركت Intel) شناخته مي شود و مدار فلش، ليست تمام دستورات قابل استفاده را در درايو فيزيكي تهيه مي كند. برخلاف كاربردهاي معمول حافظه RAM، حافظه هاي NOR مي تواند به وسيله يك سيستم فايل بندي، پيكره بندي شده و مانند هر دستگاه ذخيره اطلاعات ديگر مورد استفاده قرار گيرد.
حافظه هاي NAND
حافظه هاي فلش NAND به دليل اصول ساختاري متفاوتشان، نمي توانند به عنوان حافظه عمل گر محلي استفاده شوند. اين حافظه ها بسيار شبيه دستگاه هاي بلوكي نظير ديسك هاي سخت يا كارت هاي حافظه مورد استفاده دارند. هنگام استفاده نرم افزار از حافظه هاي NAND، استراتژي هاي حافظه مجاز مورد استفاده قرار مي گيرند. محتويات حافظه ابتدا بايد به صورت حافظه آدرس دار، صفحه بندي شوند و آنجا مورد استفاده قرار گيرند. وجود يك واحد مديريت حافظه(MMU) در سيستم، شديدا مورد نياز است. به اين دليل، برخي سيستم ها تركيبي از حافظه هاي NOR و NAND را استفاده مي كنند كه در اين سيستم ها حافظه NOR به عنوان ROM نرم افزار استفاده مي شود و حافظه NAND به وسيله سيستم فايل، پيكره بندي شده و به عنوان يك محيط ذخيره سازي دسترسي تصادفي استفاده مي شوند.
سيستم هاي فايل بندي فلش
به دليل مشخصه هاي خاص حافظه فلش، بهتر آن است كه با سيستم هاي فايل بندي با طراحي ويژه مورد استفاده قرار گيرند كه نوشتن روي حافظه و تبادل اطلاعات و پاك كردن آن را روي حافظه تقسيم كند. ايده اصلي سيستم هاي فايل بندي، اين است كه هنگام ذخيره سازي، حافظه فلش به روز شده، فايل بندي، يك نسخه جديد از اطلاعات تغييريافته را روي يك بلوك جديد مي نويسد، نشانگرهاي فايل را آدرس دهي كرده و سپس بلوك قديمي را پاك مي كند.
يكي از ابتدايي ترين سيستم هاي فايل بندي فلش، سيستم FFS2 (نسخه جديد از FFS1 شركت Microsoft مي باشد كه براي استفاده در سيستم عامل DOS در اوايل دهه ۹۰ ارائه شد. حدود سال ۱۹۹۴ گروه صنعتي PCMCIA مشخصات FTL (لايه ترجمه فلش) را ارائه نمود كه اجازه مي دهد يك دستگاه فلش مانند يك ديسك FAT به نظر برسد، اما هنوز سطح بندي موثر خود را دارا باشد. ساير سيستم هاي تجاري نظير FlashFX ارائه شده توسط شركت Datalight براي جلوگيري از بروز مشكلات حق تاليف با FTL ارائه شده اند.
JFFS اولين سيستم فايل بندي فلش براي سيستم عامل LINUX بود، اما به سرعت با JFFS2 جايگزين شد كه اساسا براي حافظه هاي توسعه يافته بود. سپس YAFFS در سال ۲۰۰۳ ارائه شد كه به طور اختصاصي روي حافظه هاي FAND كار مي كرد و JFFS2 براي پشتيباني از فلش هاي NAND ارتقا داده شد، گرچه در عمل اكثر رسانه هاي فلش به دليل سازگاري با سيستم فايل بندي FAT استفاده مي شوند. يكي از دلايل خاص بوت شدن حافظه فلش است.
ظرفيت
اجزاي حافظه فلش موسوم (اجزاي داخلي منفرد يا CHIP ها) از نظر ظرفيت در يك محدوده وسيع از چند كيلوبيت تا صدها مگابيت قرار دارد. TOSHIBA و SANDISK يك CHIP فلش NANDبا قابليت ذخيره سازي ۸ گيگا بيت(يك گيگا بايت) از اطلاعات را با استفاده از تكنولوژي MCL (سلول چندسطحي) ارائه داده اند كه امكان ذخيره سازي دو بيت اطلاعات را در هر سلول دارد. در سپتامبر ۲۰۰۵ شركت سامسونگ الكترونيك به عنوان بزرگترين سازنده حافظه هاي فلش NAND با سهم ۴۰درصدي بازار اعلام كرد كه اولين CHIP حافظه فلش NAND ۱۶گيگا بيتي جهان را توليد نموده است و پس از آن CHIP حافظه فلش NAND، گيگابيتي را ارائه نمود.
در مارس ۲۰۰۶ همين شركت از توليد حافظه هاي با ظرفيت ۳۲ گيگابايتي كه اساسا به عنوان حافظه هاي رايانه هاي كيفي طراحي شدند خبر داد. همزمان با معرفي CHIP هاي ۱۶ گيگابيتي سامسونگ IPOD NANO ، يك دستگاه فلش به ظرفيت هاي ۱و۲و۴ گيگابايتي كه به ترتيب از يك يا دو CHIP يك گيگابايتي و يك CHIP سامسونگ ۴ گيگايابتي استفاده مي كنند به بازار ارائه شد.
قيمت لحظه اي حافظه NAND در DRAMEXCHANGE در دسترس است. در تلاش براي تمركز بر افزايش ظرفيت ها، حافظه فلش با ظرفيت ۶۴مگا بايت و كمتر به طور وسيعي متوقف شده اند. حافظه فلش با ظرفيت ۱۲۸ مگابايت كاهش قيمت شديدي داشته تا مشتريان تازه وارد را جذب كند. حافظه فلش با ظرفيت ۲۵۶ مگابايت فضاي ذخيره سازي معمولي براي هر كسي است كه به طور وسيع از حافظه هاي فلش استفاده نمي كند، در حالي كه مردم بيشتر و بيشتري به حافظه هاي فلش ۵۱۲ مگابايتي و ۱ گيگابايتي علاقه مند مي شوند. حافظه هاي فلش ۲ و ۴ گيگابايتي هنوز براي مصرف كننده هاي معمولي نبستا گران است.
شركت IBM فلش را با يك مكانيزم حافظه سخت كه مي تواند داخل پوسته يك كارت COMPACTFLASH جا بگيرد جايگزين كرده است كه اين حافظه دوام بيشتري دارد و داراي ظرفيت هاي ۱ گيگا بايت و بيشترهستند.
|
