闪存的工作原理

 
电子存储产品形式多样、用途各异。闪存可在数码相机和家用电子游戏机等设备中方便快速地存储信息。而用户更多地将其作为硬盘使用,而不是作为RAM。事实上,闪存被视为一种固态存储设备。固态意味着没有移动部件,各部件都是电子化的而不是机械化的。  

以下各部件均属于闪存:  

计算机的BIOS芯片  
CompactFlash(常用于数码相机)  
SmartMedia(常用于数码相机)  
记忆棒(常用于数码相机)  
PCMCIA Type I和Type II内存卡(用作笔记本电脑中的固态磁盘)  
电子游戏机内存卡  
本文将介绍闪存的工作原理、闪存的一些形式以及使用闪存的设备类型。  

更多存储器!
可移动闪存卡
尽管计算机的BIOS芯片是闪存最常见的形式,但可移动固态存储设备却越来越受欢迎。SmartMedia和CompactFlash卡都已是广为人之,特别是作为数码相机的“电子胶卷”之用。其他可移动闪存产品包括索尼的记忆棒、PCMCIA内存卡和电子游戏系统(如任天堂的N64、Sega的Dreamcast和索尼的PlayStation)的专用内存卡。我们将重点关注SmartMedia和CompactFlash,但所有这些产品的基本原理是相同的。它们当中的每一种产品都只是闪存的一种形式。  
闪存优于硬盘的原因如下:  

闪存无噪音。  
访问速度更快。  
尺寸较小。  
更轻便。  
没有移动部件。  
为什么不多用闪存呢?原因是硬盘的单位成本要便宜得多,而且容量也大很多。  
SmartMedia

SmartMedia 卡
  
固态软盘卡(SSFDC),更为人知的名字是SmartMedia,最初由东芝公司开发完成。  

SmartMedia卡存储能力最小2MB,最大128MB。这种卡本身非常小,约45毫米长,37毫米宽,厚度不到1毫米。而这个小产品的制作工艺会让您拍案叫绝!  

如下图所示,SmartMedia卡的设计优雅简单。一块平面电极通过结合线连接到闪存芯片。闪存芯片、平面电极和结合线通过一种称为薄型顶部成形封装(OMTP)的技术嵌入到一块树脂中。通过该技术,可以将任何部件集成到一个组件中,而无需焊接。  


  


将OMTP模块粘接到卡座后,卡的主要部件就完成了。将卡插入设备时,电极将向闪存芯片输送电流和数据。缺角指示SmartMedia卡所需的电压。使电极朝向观察闪存卡的一侧,如果凹口位于左侧,则需要5伏特。如果凹口位于右侧,则需要3.3伏特。  

SmartMedia卡以较小的块单位(增量为256字节或512字节)对内存进行擦除、写和读操作,通过这种方法能获得快速可靠的性能,同时还可以指定要保留的数据。SmartMedia卡小巧、轻便并且简单易用。它不如其他形式的可移动固态存储器那么坚固,因此在使用和存放时要非常谨慎。  

CompactFlash
CompactFlash卡由Sandisk在1994年开发,与SmartMedia卡的主要不同在于以下两个方面:  

较厚。  
采用一块控制器芯片。  
CompactFlash内置一块小型电路板、若干闪存芯片和一块专用的控制器芯片,并且都包装在一块坚固的外壳内,比SmartMedia卡要厚出数倍。  
如下图所示,CompactFlash卡宽43毫米,长36毫米,有两种厚度:Type I卡厚3.3毫米,Type II卡厚5.5毫米。  


CompactFlash 卡
  


CompactFlash卡支持双重电压,在3.3伏和5伏两种环境下都可操作。  

厚度较大使得CompactFlash卡比SmartMedia卡具有更大的存储容量。CompactFlash容量最小为8MB,最大为6GB。板载控制器可以提高性能,尤其在配置有速度较慢的处理器的设备上更是如此。与SmartMedia卡相比,这种容器和控制器芯片增加了CompactFlash卡的尺寸、重量和复杂性。  

内存标准
SmartMedia和CompactFlash以及PCMCIA Type I和Type II内存卡都符合PC机内存卡国际联合会(PCMCIA)制定的标准。有了这些标准,就会更便于在各种设备中使用CompactFlash和SmartMedia产品。您也可以购买适配器,以通过标准的软盘驱动器、USB端口或PCMCIA卡插槽(类似于笔记本电脑上的插槽)来访问这些卡。索尼的记忆棒在索尼提供的许多产品中都可以使用,现在也开始出现在其他制造商的产品中。  

尽管这些标准取得了成功,但也有许多闪存产品本质上是完全享有专利权的,如电子游戏系统中的内存卡。不过,随着电子元件日具互换性,并学会”互相沟通“(通过蓝牙等技术),标准化的可移动内存将使您可随手掌控您的生活。  

2006年9月,三星宣布开发 PRAM(Phase-change Random Access Memory,相变随机存取存储器)。这种新型存储器致力于将RAM快速处理与闪存非易失特性合而为一,有些人将其昵称为“超完美RAM”。PRAM旨在将速度提高到比传统闪存快30倍,而生命周期提高10倍。三星计划第一批PRAM芯片在2010年进入商用领域,以512Mb的容量。这些芯片也可能用于手机和其他移动设备
计算机存储器工作原理  
RAM的工作原理  
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只读存储器工作原理  
可移动存储器工作原理  
BIOS工作原理  





我们已在只读存储器工作原理中讨论了闪存的基本技术,本文仅做简单回顾:  

闪存是一种EEPROM芯片。它包含一个由若干行和列组成的网格,其中各个交汇处均有一个含有两个晶体管的单元。




闪存工作原理  


这两个晶体管由一层薄氧化层隔开。两个晶体管分别称为浮点门和控制门。浮点门只能通过控制门连接到行,即字元线。一旦连接,该单元值将为1。若要将值更改为0,需要经过名为Fowler-Nordheim隧道效应的奇妙过程。接下来,我们将介绍隧道效应。隧道效应和擦除


隧道效应用于更改浮点门中的电子位置。浮点门通常采用10到13伏之间的电荷。电荷来自列,即位元线,进入浮点门,并排入地面。  
通过这些电荷,浮点门晶体管可具有类似电子枪的作用。将激发的电子推入薄氧化层并在薄氧化层的另一面将其捕获,使其带有负电荷。这些带负电荷的电子在控制门和浮点门之间起到障碍物的作用。一种称为单元传感器的特殊设备用于监控通过浮点门的电荷水平。如果通过浮点门的电流超过电荷的50%,则值为1。通过的电荷低于50%的限制时,值更改为0。在一个空白EEPROM中,所有门完全打开,每个单元值均为1。  





通过使用电场(一种高压电荷),闪存芯片各单元中的电子可恢复正常值(“1”)。闪存通过内电路布线将电场应用于整个芯片或预先确定的区域(称为块)。这将擦除芯片的目标区域,该区域可在以后重新写入数据。闪存每次不是擦除一个字节,而是每次擦除一个块或整个芯片,然后再进行重写,因此比传统 EEPROM速度更快。  


您可能会想到车载收音机装有闪存,因为您可以设计预设值,车载收音机能够记住预设值。但实际上车载收音机使用的是Flash RAM。区别是Flash RAM必须通过电源来保留其中的内容,而闪存则无需任何外部电源即可保留其数据。即使关掉电源,车载收音机也在使用很小的电流来保留Flash RAM中的数据。因此,如果您的车载电池电量耗尽或线路断开,收音机预设值将丢失。

                                    

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