Андрей Кузнецов
Что такое флэш-диск?
По функциональному назначению флэш-диски ничем не отличаются от всех остальных компьютерных дисков: это устройства для долговременного энергонезависимого хранения информации с возможностью многократной перезаписи. Самое главное их отличие от тривиальных винчестеров и флоппи-дисков заключается в отсутствии каких-либо подвижных механических деталей конструкции. Для хранения информации во флэш-дисках используются микросхемы памяти, выполненные по технологии Flash, которую еще в начале 80-х годов разработала фирма Intel. В сущности эти микросхемы являются обычными электрически стираемыми ППЗУ, однако имеют три существенные особенности. Во-первых, их можно стирать и перезаписывать миллион раз, а то и больше - невероятная цифра для ЭСППЗУ, допускавших в то время в лучшем случае 1000 перезаписей. Во-вторых, емкость этих микросхем очень быстро достигла объема 1 Мбайт при весьма малых габаритах. И в-третьих, время хранения записанной в такой микросхеме информации практически неограниченно. Итак, с точки зрения инженера флэш-диск представляет собой компактное электронное устройство на основе микросхем памяти, которое можно подключить к компьютеру вместо накопителя жесткого диска. Нужно только точно знать, для чего это нужно.
Зачем нужны флэш-диски?
Прогресс в области производства традиционных дисков настолько велик, что кажется, нет никакой необходимости создавать какие-либо аналогичные изделия на основе микросхем. И в самом деле, в офисном компьютере применение внутреннего флэш-диска оправдать пока невозможно. Однако стоит бегло сравнить эти устройства, и даже очень небогатое воображение подскажет тысячи возможностей применения, где альтернативы флэш-дискам пока не существует. Чем же они так хороши? Во-первых, в отличие от любого жесткого диска флэш-диск практически невосприимчив к вибрациям. Во вторых, устойчивость к ударам в 1000 g является нормой для этих устройств. И наконец, в третьих, диапазон рабочих температур флэш-дисков составляет от 40°С до +85°С, что является абсолютно недостижимым для традиционных механических дисков. Они все-таки вертятся, а на морозе это не так-то просто. Кроме того, самые маленькие флэш-диски, например DiskOnChip 2000 фирмы M-Systems, имеют размер микросхемы в корпусе DIP32 - и это при емкости от 2 до 72 Мб! К сожалению, все остальные свойства флэш-дисков пока еще несколько отстают от возможностей их механических собратьев, но и перечисленных преимуществ вполне достаточно для того, чтобы сделать правильный выбор устройства памяти для работы в жестких условиях эксплуатации. В мобильных приложениях, цифровых камерах, промышленных, встраиваемых и блокнотных компьютерах, радиотелефонах, в авиации, космосе и тысячах других областей работают флэш-диски.
Какими они бывают?
Проще всего на этот вопрос ответить одним словом: любыми. И это действительно так. В настоящее время флэш-диски выпускаются с интерфейсами ISA, PC/104, PCMCIA, СompactFlash, IDE, SCSI, в корпусе микросхем DIP32 с контактами, как у обычных микросхем ПЗУ, и в виде специализированных комплектов “контроллер + флэш-память” для распайки на платы. В зависимости от емкости и функционального назначения диски имеют различное конструктивное исполнение. Флэш-диски с интерфейсами ISA и PC/104 производятся в виде модулей на основе печатных плат (см. рис. 1) и предназначены для непосредственной установки в соответствующие разъемы компьютеров.
Рис.1. Флэш-диски в формате карт ISA и PC/104 фирмы M-Systems
Эти устройства фиксируются внутри изделия и имеют емкость до 32 Мб. На их основе обычно реализуются системные диски для компьютеров с повышенными требованиями к надежности и скорости начальной загрузки. Если на таком диске запретить запись, то ни один злоумышленник, ни один сбой в программе не разрушит записанную на нем информацию. Диски, выполненные в конструктиве PCMCIA (рис. 2)
Рис. 2. Флэш-диски в формате карт PCMCIA фирмы SanDisk
и CompactFlash (рис. 3), применяются в мобильной аппаратуре типа ноутбуков и палмтопов или во входящих в моду цифровых фотоаппаратах в качестве сменных устройств для хранения или переноса информации в обычные настольные компьютеры.
Рис. 3. Флэш-диски в формате карт Compact-Flash фирмы SanDisk
В соответствии со своими задачами они имеют специальную конструкцию в виде компактной карточки, напоминающей кредитную или телефонную. Стандарт допускает три возможные толщины карточек PCMCIA - 2,5; 5 и 10 мм. Соответственно эти карточки называются PCMCIA Card Type I, II и III. Одной из самых главных функциональных особенностей этих устройств является возможность их установки в приемный слот в “горячем” режиме без выключения питания. Для этого разъем приемного слота имеет специальную конструкцию, обеспечивающую строгую очередность соединения контактов земли, питания и логических сигналов. Сегодня для карточек Type III достигнута емкость 300 Мб. Карточки серии Compact Flash являются логическим продолжением развития стандарта PCMCIA в сторону дальнейшего уменьшения габаритов. По размеру они примерно вдвое меньше PCMCIA Сard Type I, но сохраняют совместимость с ними на уровне интерфейса. С помощью специального переходника CompactFlash можно устанавливать в приемный слот для карточек PCMCIA. Максимальная емкость дисков в формате CompactFlash пока составляет 24 Мб. Диски с интерфейсом SCSI (рис. 4) имеют просто огромную для флэш-дисков емкость - до 1,7 Гб и применяются в таких экзотических областях, как бортовые накопители в авиации или тестирующее оборудование, перемещающееся внутри нефте- и газопроводов.
Рис. 4. Флэш-диск SCSI фирмы M-Systems
Это объясняется только экономической нецелесообразностью применения подобных дисков для “нормальных” задач: стоимость флэш-диска SCSI такого объема составляет сегодня около 25 000 долларов (!). Настоящий бум среди производителей одноплатных компьютеров вызвало появление новой версии флэш-диска DiskOnChip2000 в корпусе DIP32 (рис. 5) производства фирмы M-Systems. Гнезда для установки этих малюток появились в нынешнем году на платах многих производителей промышленных компьютеров.
Рис. 5. Так выглядит DiskOnChip 2000, установленный на плате процессора
Почему они так дорого стоят?
При единичных закупках стоимость одного мегабайта на флэш-диске составляет от 10 до 24 долларов. Это объясняется в первую очередь ценой самих микросхем флэш-памяти. Для сравнения: стоимость мегабайта на обычном электромеханическом диске сегодня не превышает 20 центов. Но если уж речь зашла о стоимости, то неплохо проследить динамику изменения цен на флэш-диски. Еще год назад стоимость одного мегабайта на флэш-диске была не меньше 50 долларов, по прогнозам же производителей этих устройств, к 2000 г. эта цифра должна уменьшиться до 1 доллара. С другой стороны, есть такое понятие, как начальная стоимость накопителя. Эта величина остается почти неизменной с момента появления жестких дисков и составляет около 250 долларов. Десять лет назад за эту цену потребителю предлагался жесткий диск объемом 32 Мб, год назад еще можно было найти 500-мегабайтовые диски за такую стоимость, а сегодня за эти деньги почти невозможно найти НЖМД емкостью менее 1 Гб. В то же время начальная стоимость флэш-дисков гораздо ниже: она составляет сегодня 40 - 50 долларов. За 250 долларов можно приобрести флэш-диск относительно большой емкости - 16 Мб (или 32 Мб, если использовать программы уплотнения типа Stacker). При этом существует огромное количество приложений, нуждающихся в накопителях емкостью меньше 10 Мб, например кассовые аппараты, мобильные компьютерные устройства, станки с ЧПУ или аппараты для выдачи чеков на автомобильных стоянках. В подобных случаях применение флэш-дисков оправданно не только с точки зрения эксплуатационных свойств, но и экономически. А если рассматривать мобильные компьютеры, то здесь стоимость диска просто отступает на задний план, если оценить его энергопотребление: лучше заплатить бо/льшую цену, чем каждый час менять или перезаряжать батареи, да и само устройство более компактно. Таким образом, если вам требуется надежный накопитель небольшого объема, логично применить флэш-диск. Хотя с точки зрения высокоскоростной работы в нормальных условиях позиции традиционных жестких дисков еще долго не пошатнутся.
Чем ОЗУ с батарейным питанием хуже?
Во-первых, микросхемы статической памяти, на которых основаны ОЗУ с батарейным питанием, всегда были гораздо дороже микросхем флэш-ПЗУ. С течением времени этот разрыв в цене только возрастает. Другим важным аспектом является надежность хранения данных. Диск на основе ОЗУ сохраняет записанную информацию после выключения питания благодаря дополнительной батарее питания. Малейшая неисправность батареи (например, в связи с переохлаждением или по истечении срока годности) приводит к полной потере записанной на таком диске информации. Кроме того, емкость дисков на основе статической памяти, как правило, не превышает 4 Мб. Единственное, в чем флэш-диски проигрывают по сравнению с дисками на основе статической памяти, - это скорость записи. Если приложение требует скорости записи, превышающей 500 Кб/с, то это единственный повод задуматься о приобретении диска на основе статического ОЗУ с батарейным питанием.
Сто тысяч циклов записи - это много или мало?
Давайте разберемся, что означает внушительная цифра 100 тысяч циклов записи, часто приводимая в технических описаниях флэш-дисков. Нередко можно услышать такое мнение: “Мое устройство каждую секунду записывает 1 Кб. Значит, через полтора часа работы мне придется покупать новый флэш-диск?”. Конечно же нет! Посмотрим, например, как работают флэш-диски компании M-Systems на основе микросхем флэш-памяти 28F008SA фирмы Intel. Эти микросхемы объемом 1 Мб имеют блочную структуру по 64 Кб. Физическая организация флэш-памяти подразумевает стирание блока, если мы хотим его переписать заново. Иными словами, если мы будем осуществлять последовательную запись в один блок по одному байту, то на 64 тыс. циклов записи нам потребуется один цикл стирания. Здесь стоит вспомнить, что большинство производителей микросхем флэш-памяти, в том числе и Intel, гарантируют не менее одного миллиона циклов стирания блока памяти микросхемы. При этом все производители флэш-дисков применяют различные программные либо аппаратные приемы, чтобы обеспечить равномерное распределение числа циклов стирания по всем блокам флэш-диска. В частности, файловая система TrueFFS, разработанная фирмой M-Systems, гарантирует 95%-ную утилизацию блоков флэш-диска. Иными словами, на диск объемом 1 Мб в течение срока его жизни может быть записано до 95 Гб. Рассмотрим конкретный пример.
Пример. Кассовый аппарат
Каждая транзакция - 200 байт
Каждый чек - 20 транзакций, итого 4 Кб
В день - 1000 чеков, итого 4 Мб
На флэш-диск размером 4 Мб за время эксплуатации может быть записано 95 Гб x 4 = 380 Гб, что соответствует общему времени эксплуатации в приложении кассового аппарата 380 Гб: 4 Мб/день = 95 000 дней. В худшем случае гарантированное время эксплуатации 4 Мб флэш-диска может составить 260 лет. Если применяется диск объемом 1 Мб, это будет 65 лет.
Возвращаясь к первоначальному вопросу о записи на флэш-диск по 1 Кб в секунду круглосуточно, легко подсчитать, что срок службы диска объемом 4 Мб в такой фантастической задаче составит 12 лет.
Как установить флэш-диск в компьютер?
Это зависит от типа флэш-диска, но в любом случае можно сказать: это не сложнее, чем установка обычного жесткого диска. Флэш-диски имитируют работу традиционного НЖМД на аппаратном или программном уровне. Устройства с интерфейсами IDE и SCSI с точки зрения операционной системы компьютера и способов обращения к ним ничем не отличаются от традиционных жестких дисков и не требуют какого-либо дополнительного программного обеспечения кроме того, что стандартно входит в данную ОС. Для флэш-дисков, выполненных в виде плат с разъемом ISA, необходим дополнительный драйвер, эмулирующий работу НЖМД. Но они поставляются с уже записанным необходимым ПО. Как правило, после установки такого диска в компьютер и включения питания в системе просто появляется дополнительный жесткий диск. Никаких операций форматирования или разбиения на разделы не нужно. Единственной проблемой может оказаться конфликт с другим устройством, работающим через то же самое окно в области расширенной памяти. В этом случае для устранения конфликта придется переставить перемычки начального адреса на плате флэш-диска или внести необходимые изменения в начальные установки компьютера. Все это хорошо описано в документации на каждый конкретный флэш-диск. При установке дисков в виде карточек PCMCIA в зависимости от типа карточки требуется установка в config.sys ссылки на соответствующий драйвер: atadrv.sys для карточек типа АТА или драйвер фирмы-изготовителя - в других случаях. Для установки в систему флэш-диска типа DiskOnChip2000 на плате процессора должно быть 32-контактное гнездо под микросхему ПЗУ в корпусе DIP32. На многих платах промышленных компьютеров такие гнезда есть. Установите в него DiskOnChip2000 и подайте питание - все необходимое ПО для DOS/Windows уже записано на диске.
Можно ли применить флэш-диск в несовместимом с IBM PC компьютере?
Этот вопрос задается практически всегда, когда разработчик микропроцессорного устройства, несовместимого с IBM PC, а точнее, несовместимого с DOS, узнает о существовании флэш-дисков серии DiskOnChip2000 или о специальных комплектах “контроллер и флэш-ПЗУ” для встраивания в компьютерные платы. Да, это возможно. Более того, есть даже специальные комплекты для разработки таких приложений и программное обеспечение в исходных текстах для быстрой разработки встроенного ПО. Например, для встраивания DiskOnChip2000 в несовместимые с DOS компьютеры, в том числе и на основе микроконтроллеров (например, 8051 или 80188), фирма M-Systems предлагает пакет Flite, включающий исходные тексты на языке Си для работы с флэш-памятью. Но в этой бочке меда есть ложка дегтя: стоимость такого пакета на 1000 лицензий превышает 20 000 долларов. Устанавливая эту цену, фирма руководствовалась, по всей вероятности, достаточно логичными соображениями. Во-первых, крупный производитель вполне способен пойти на такое капиталовложение. 20 долларов в стоимости крупносерийного продукта, производимого в тысячах экземпляров, за встроенный флэш-диск - вполне экономически оправданная сумма, особенно на фоне дорогостоящего труда западных программистов. Время разработки конечного продукта при этом ощутимо сокращается. Во-вторых, техническая поддержка нескольких крупных разработчиков значительно выгоднее, чем огромного числа “самодельщиков”, - если бы внутреннее устройство и система команд контроллера флэш-памяти распространялись открыто. В России, к сожалению, компьютерное оборудование с флэш-дисками такими тиражами пока не производится. Поэтому на время забудем о возможности простого встраивания флэш-дисков в “самопальную” аппаратуру. Исключение, пожалуй, составляют флэш-диски с интерфейсом IDE (рис. 6), схемотехника, функционирование которых широко известны.
Рис. 6. Флэш-диск с интерфейсом IDE
Мне нужен флэш-диск, кто их производит?
В настоящее время за пальму первенства в производстве флэш-дисков борются две фирмы: SanDisk (США) и M-Systems (Израиль). Все остальные, как правило, только наклеивают свои логотипы на продукцию этих фирм. Поэтому если вы увидите флэш-карточку PCMCIA с надписью MAXTOR или Compaq - не верьте глазам своим, это наверняка M-Systems или SanDisk. Принципиальной разницы между продукцией этих фирм нет, хотя у M-Systems номенклатура производимых дисков несколько шире, в частности, в нее входят диски в формате карт с шиной ISA, интерфейсом SCSI и DiskOnChip 2000. Время от времени обе фирмы устраивают небольшие ценовые войны, что нам, конечным пользователям, только на руку: глядишь, и в самом деле в каждом компьютере займут свое место неприхотливые и недорогие флэш-диски.
С автором статьи можно связаться по E-mail: andrey@prosoftmpc.ru.
