Аппаратные интерфейсы ПК — страница 35 из 52

Твердотельные устройства хранения используются в миниатюрных компьютерах, а также компьютеризированных цифровых устройствах бытовой электроники — фотокамерах, плейерах, приемниках глобальной системы позиционирования (GPS), музыкальных инструментах и прочих. В большинстве своем эти устройства основаны на микросхемах флэш-памяти, в наиболее современных используется память со структурой NAND (см. п. 7.3.2). Этому типу флэш-памяти присуще быстрое чтение, запись и стирание небольших блоков (256 или 512 байт), что удобно для записи файлов. Правда, для этой памяти характерны довольно медленное чтение произвольного байта и отсутствие возможности побайтной записи, но приложениям этих карт такая возможность и не требуется, поскольку они ориентированы на блочный обмен. Устройства на флэш-памяти являются энергонезависимыми (в режиме хранения не требуют питания), экономичными в плане потребления, особенно при чтении, достаточно производительными, но, увы, недешевыми. Запись на эти носители специфична: быстрее всего она выполняется в чистый (стертый) блок (сектор диска), а перезапись требует относительно длительного стирания. Кроме того, флэш-память имеет хоть и большое (порядка 10⁵), но ограниченное число циклов стирания-записи — как ни странно, у носителей с подвижным носителем с этим ограничением не сталкиваются. Устройства хранения обычно представляют комбинацию собственно микросхем памяти и микроконтроллера, обеспечивающего внешние интерфейсные функции. Этим они отличаются от карт памяти с линейным доступом, например Miniature Card, на которых располагаются только микросхемы памяти (встроенный контроллер не требуется).

Есть и другие твердотельные хранители — например, ферроэлектрическая память (FRAM), но пока что массового применения они не имеют. Менее чем за десятилетие устройства хранения на флэш-памяти прошли большой путь от электронных «дисков» («винчестеров») размером в 3" до современных, размером с почтовую марку. Интерфейсы твердотельных устройств хранения — карт внешней памяти — тесно связаны с их конструктивами; основные характеристики наиболее распространенных карт приведены в табл. 9.12.

Таблица 9.12. Основные характеристики карт внешней памяти

CompactFlash	SmartMedia Card	MultiMedia Card	Sequre Digital	Miniature Card
Длина	36,0	45,0	32,0	32,0	33,0
Ширина	43,0	37,0	24,0	24,0	38,0
Высота	3,3/5,0	0,76	1,4	2,1	3,5
Коннектор	Штырьковый	Печатный	Печатный	Печатный	Эластомер
Число контактов	50	22	7	9	60

Вышеперечисленные карты можно подключать и к обычным компьютерам. Для этого существуют различные адаптеры: для слотов PC Card (к блокнотным ПК), для шины USB (для самых разных ПК) и для других внешних интерфейсов. С помощью этих адаптеров компьютер «видит» подключенную карту как обычный сменный носитель информации (диск). Конечно, компьютеры общего назначения в такой внешней памяти не нуждаются — своя и больше, и дешевле. Главная цель подключения карты к ПК — быстрая передача прикладных данных бытового устройства (фотографий, музыки и т. п.) или перенос (хранения) информации (вместо дискет).

В качестве интерфейса твердотельных устройств хранения может использоваться и самый обычный вариант ATА. Существуют устройства DOM (Disk On Module) — небольшие модули, которые вставляются в обычный 40-контактный разъем ATA, имеющийся на любой современной системной плате. Правда, этот «винчестер» не блещет выдающимися параметрами: объем — 4-256 Мбайт, средняя скорость передачи данных — 1,6 Мбайт/с, удельная стоимость хранения — около $1,5 за мегабайт. Внутри модуля находится флэш-память структуры NAND с контроллером, эмулирующим систему команд ATA. Основное применение этих модулей — хранение ПО встраиваемых компьютеров, но можно ими пользоваться и как сменными устройствами хранения.

9.3.1. CompactFlash

Карты CompactFlash (рис. 9.7), поддерживаемые ассоциацией CFA (Compact Flash association), широко используются в различных электронных приборах: цифровых фотокамерах, фотопринтерах, MP3-плейерах, цифровых диктофонах, персональных коммуникаторах и, конечно же, компьютерах — настольных, карманных, автомобильных. Карты имеют размер 42,8×36,4×3,3 мм (4 мм с учетом выступа) и 50-контактный разъем (розетка на карте, двухрядный штырьковый разъем с шагом 1,27 мм на слоте). Назначение контактов приведено в табл. 9.13. Через переходник с 50 на 68-контактный разъем карты могут устанавливаться в слот PC Card Type II или III, имеющийся практически во всех блокнотных ПК. Объем памяти выпускаемых в настоящее время карт — от 4 Мбайт до 1 Гбайт, напряжение питания — 5 или 3,3 В. Карты могут работать в одном из трех режимов: карт памяти (Mem), карт ввода-вывода PC Card (I/O), «чистого» режима IDE (ATA). В первых двух режимах карты работают с теми же интерфейсными сигналами, что и PC Card. В режиме IDE электрический интерфейс и система команд полностью совместимы со спецификацией ATA (см. п. 9.2.1), правда, обмен данными возможен только в режиме PIO. Режим IDE выбирается заземлением на стороне хоста сигнала ATA_SEL#. При этом из шины адреса используются только А[2:0] (остальные заземлены хостом); шина данных при обращениях к регистрам ATA имеет разрядность 8 бит, а при передаче данных — 16. Сигналы CS0# и CS1# используются для выбора блока командных и управляющих регистров соответственно. Сигналы PDIAG#, DASP#, CSEL#, RESET# и IORDY соответствуют спецификации ATA. Сигналом CSEL# выбирается роль карты: при заземленном контакте — устройство 0 (master), при разомкнутом — устройство 1 (slave); можно воспользоваться и «кабельной выборкой». Сигналы REG# и WE# должны подключаться к шине питания (V_cc). Сигналы CD1# и CD2# являются индикаторами установки карты (их контакты замыкаются последними, на карте они заземлены). В табл. 9.14 описан чисто пассивный переходник, позволяющий подключить карту Compact Flash к обычному порту ATA (IDE), имеющемуся на любой современной системной плате.

Рис. 9.7. Карты CompactFlash

Таблица 9.13. Назначение контактов карт CompactFlash

№	Mem	I/O	IDE	№	Mem	I/O	IDE
1	GND	GND	GND	26	CD1#	CD1#	CD1#
2	D03	D03	D03	27	D11	D11	D11
3	D04	D04	D04	28	D12	D12	D12
4	DOS	DOS	DOS	29	D13	D13	D13
5	D06	D06	D06	30	D14	D14	D14
6	D07	D07	D07	31	D15	D15	D15
7	CE1#	CE1#	CS0#	32	CE2#	CE2#	CS1#
8	A10	A10	A10	33	VS1#	VS1#	VS1#
9	OE#	OE#	ATA_SEL#	34	IORD#	IORD#	IORD#
10	A09	A09	A09	35	IOWR#	IOWR#	IOWR#
11	A08	A08	A08	36	WE#	WE#	WE#
12	A07	A07	A07	37	RDY/BSY	IREQ	INTRQ
13.	VCC	VCC	VCC	38	VCC	VCC	VCC
14	A06	A06	A06	39	CSEL#	CSEL#	CSEL#
15	A05	A05	A05	40	VS2#	VS2#	VS2#
16	A04	A04	A04	41	RESET	RESET	RESET#
17	A03	A03	A03	42	WAIT#	WAIT#	IORDY
18	A02	A02	A02	43	INPACK#	INPACK#	INPACK#
19	A01	A01	A01	44	REG#	REG#	REG#
20	A00	A00	A00	45	BVD2	SPKR#	DASP#
21	D00	D00	D00	46	BVD1	STSCHG#	PDIAG#
22	D01	D01	D01	47	D08	DOS	DOS
23	D02	D02	D02	48	D09	D09	D09
24	WP	IOIS16#	IOCS16#	49	D10	D10	D10
25	CD2#	CD2#	CD2#	50	GND	GND	GND

Таблица 9.14. Переходник CompactFlash Card — ATA

ATA, конт. №	Цепь	CFC, конт. №	CFC, конт. №	Цепь	ATA, конт. №
2	GND	1	26	CD1#	-
11	D03	2	27	D11	10
9	D04	3	28	D12	12
7	D05	4	29	D13	14
5	D06	5	30	D14	16
3	D07	6	31	D15	18
37	CS0#	7	32	CS1#	38
GND¹	A10	8	33	VS1#	-
GND¹	ATA_SEL#	9	34	IORD#	25
GND¹	A09	10	35	IOWR#	23
GND¹	A08	11	36	WE#	+5V²
GND¹	A07	12	37	INTRQ	31
+5V²	VCC	13	38	VCC	+5V²
GND¹	A06	14	39	CSEL#	28³
GND¹	А05	15	40	VS2#	-
GND¹	А04	16	41	RESET#	1
GND¹	A03	17	42	IORDY	27
36	А02	18	43	INPACK#	-
33	А01	19	44	REG#	+5V²
35	A00	20	45	DASP#	39
17	D00	21	46	PDIAG#	34
15	D01	22	47	D08	4
13	D02	23	48	D09	6
32	IOCS16#	24	49	D10	8
-	CD2#	25	50	GND	GND¹

¹ С шиной GND должны быть соединены контакты 2, 19, 22, 24, 26, 30 и 40 разъема ATA, а также контакт разъема питания.

² Питание +5V на переходник подается от дополнительного разъема.

³ Возможно подключение не к разъему ATA, а к шине GND через джампер: замкнут — ведущее устройство, разомкнут — ведомое.

9.3.2. SmartMedia Card

Карты SmartMedia Card, поддерживаемые ассоциацией PCMCIA, предназначены примерно для того же круга приложений, что и CompactFlash. Они совсем тонкие, имеют менее «нежный» печатный разъем с малым числом контактов (всего 22) и не боятся не только повышенной влажности, но и воды. Карты основаны на микросхемах флэш-памяти с организацией запоминающих ячеек NAND. Средняя скорость передачи данных — 2 Мбайт/с, пиковая — до 10. Вид карт приведен на рис. 9.8, назначение контактов — в табл. 9.15. Карты на 5 В выпускаются объемом 16 и 32 Мбит (2 и 4 Мбайт). Карты на 3,3 В выпускаются объемом 16, 32 или 64 Мбит (2, 4, 8 Мбайт); у них контакт 17 соединен с V_cc. Для карт SmartMedia выпускают простые переходные адаптеры на слот PC Card Type II. Появились даже устройства FlashPath™ для считывания этих карт в обычном дисководе(!) 1,44 Мбайт.

Рис. 9.8. Карты SmartMedia: а — питание 5 В, б — питание 3,3 В

Таблица 9.15. Назначение контактов SmartMedia Card

№	Цепь	№	Цепь
22	VCC (5 B)	1	VSS
21	СЕ#	2	CLE
20	RE#	3	ALE
19	R/B	4	WE#
18	GND	5	WP#
17	Power Detect	6	I/O1
16	I/O8	7	I/O2
15	I/O7	8	I/O3
14	I/O6	9	I/O4
13	I/O5	10	VSS
12	VCC	11	VSS

9.3.3. MultiMediaCard и Sequre Digital

Карты MultiMediaCard (MMC) и Secure Digital (SD) еще компактнее — их размер в плане всего 32×24 мм при толщине 1,4 мм у MMC и 2,1 мм у SD. Эти карты имеют краевой печатный разъем, 7-контактный у MMC и 9-контактный у SD. У карт MMC на разъем выводятся питание, управляющий сигнал, сигнал синхронизации и двухразрядная шина данных. У карт SD за счет пары дополнительных контактов шина данных расширена до 4 бит, что позволяет повысить скорость обмена. Конструктивно карты SD сделаны так, что устройства, работающие с ними, физически могут работать и с картами MMC, но не наоборот (в тонкий слот MMC более толстую карту SD и не вставить). Логическая совместимость должна обеспечиваться программным обеспечением хоста (устройства, в которое вставляют карту). Карты MMC и SD предназначены примерно для того же спектра устройств, что и CompactFlash; к ним стоит добавить и электронные книги (eBook). Однако назначение этих карт различно: MMC предназначены для широкого распространения данных — музыки, игр, электронных книг, — и они являются довольно дешевыми носителями информации. Карты SD предназначены для безопасного (в смысле конфиденциальности) распространения информации, и они гораздо дороже.

Карты SD разработаны альянсом трех компаний — Toshiba, Matsushita (более известная по торговой марке Panasonic) и SanDisk, которые организовали ассоциацию SDA (Secure Digital Association), выпускающую спецификации, принятые уже сотнями фирм во всем мире. Членство в ассоциации платное и дорогостоящее; по вполне понятным причинам технические детали SD широко не освещаются (иначе грош цена провозглашаемой безопасности).

Карты SD (рис. 9.9) имеют размер 32×24×2,1 мм; справа на рисунке виден переключатель защиты записи (WP), предохраняющий от случайного стирания. На печатной плате карты SD смонтирована флэш-память структуры NAND, SD-контроллер и вспомогательные компоненты. 9-контактный разъем карт SD (табл. 9.16) по выводам 1–7 совпадает с картами MMC. Карты SD допускают «горячее» подключение/отключение. Конструкция коннектора рассчитана на 10 000 циклов вставки-изъятия. Карты выдерживают до 200 000–300 000 циклов записи в каждый блок флэш-памяти и падение на пол с высоты 3 м. Они устойчивы и к жаре, и к морозу. Скорость передачи данных у первых карт SD — 2 Мбайт/с, объем — 8-512 Мбайт; в 2002 г. планируется подъем скорость до 10 Мбайт/с и объем до 1 Гбайт, а в 2004 — до 20 Мбайт/с и 4 Гбайт. Начальная удельная цена хранения высока — $3 за 1 Мбайт, но постепенно она должна снизиться до уровня $1 за 1 Мбайт (что тоже немало!) и ниже.

Рис. 9.9. Карта памяти SD (вид сзади)

Таблица 9.16. Назначение контактов карт MMC и SD

Контакт	Цепь	Контакт	Цепь
1	Command	6	Data 0
2	Vss	7	Data 1
3	Vdd	8	Data 2
4	Clock	9	Data 3
5	Vss

Для карт SD разработаны (и разрабатываются) спецификации форматов данных на трех уровнях:

♦ физический уровень описывает перезаписываемые карты (SD-Rewritable) и постоянную память (SD-Read Only);

♦ уровень файловой системы использует стандарт ISO 9293;

♦ прикладной уровень учитывает специфику атрибутов различных типов содержимого — музыки (SD-Audio), изображений (SD-Picture), речи (SD-Voice), видео (SD-Video) и других.

На всех уровнях действуют средства безопасности (Security), являющиеся основным «коньком» SD. В SD используются технологии обеспечения безопасности CPRM (Content Protection for Recordable Media — защита содержимого записываемых носителей) — стандарта шифрования и сертификации/аутентификации, разработанного и лицензируемого фирмами IBM, Intel, Matsushita (Panasonic) и Toshiba. Карты SD-Audio отвечают требованиям SDMI[4] (Secure Digital Music Initiative) к портативным устройствам.

Карта SD имеет три области хранения с разными возможностями доступа: область хранения ключей шифрования и аутентификации, область секретных данных и область данных общего назначения. Секретные данные хранятся и передаются в зашифрованном виде, их кодирование-декодирование выполняется хостом (устройством, в которое устанавливается карта). Для того чтобы установить канал обмена секретными данными, требуется взаимная аутентификация хоста и карты: хост должен «признать» карту, а карта — хост. Таким образом, обмен данными с защищенной областью карты возможен только на «фирменных» устройствах (до тех пор пока алгоритмы и ключи шифрования не попадут в руки хакеров).

Карты SD продаются в форматированном виде; при необходимости они могут быть переформатированы на специальном устройстве или хосте SD, имеющем функции форматирования. Нештатное форматирование (например, на компьютере) может привести карту в состояние, негодное для дальнейшего применения, — защита может сработать как дверь, захлопнувшаяся на замок, единственный ключ от которого остался внутри.

Совместимость SD и MMC весьма ограничена. Хосты SD-карт совместимы с картами MMC на физическом уровне; в картах MMC и SD используется одна и та же структура таблицы размещения файлов (FAT), чем обеспечивается совместимость и на уровне записи/чтения файлов. Однако на прикладном уровне программные спецификации «начинки» этих карт могут и различаться. Так, например, в SD MP3-плейеры нельзя вставлять карты MMC — они используют различные форматы данных. Данные общего назначения (не секретные) могут быть перенесены с MMC на SD, но перенос секретных данных хосты не допустят (если хост — не компьютер со взломанным ПО). Хосты MMC-карт с SD-картами несовместимы даже чисто физически (эти карты в слот для MMC не влезут по толщине).

Кроме карт SD-памяти, планируется выпуск и карт ввода-вывода (SD I/O card). В первую очередь рассматривается интерфейс Bluetooth, позволяющий быстро и без проводов синхронизировать данные устройств, имеющих слот SD, друг с другом и с устройствами, уже имеющими этот интерфейс.

9.3.4. Miniature Card

Карты Miniature Card предназначены для использования в недорогих устройствах бытовой электроники в качестве сменной флэш-памяти, а также расширения динамической памяти (рис. 9.10). В интерфейсе карт используется линейный доступ к произвольной ячейке памяти с адресуемым объемом до 64 Мбайт. Карты имеют немультиплексированную 16-разрядную шину данных и могут работать в пакетном режиме передачи данных. Также имеется возможность работы с 8-разрядным хостом (старший и младший байты шины запараллеливаются, линия BS8# заземляется). Интерфейс хоста для этих карт конфигурируется на работу в режиме DRAM или флэш-памяти; карты снабжаются микросхемой энергонезависимой памяти идентификации с интерфейсом I²C. Карты имеют прорези для правильного позиционирования и коннектор, обеспечивающий «горячее» (даже для DRAM!) подключение. При установке передний край карты вводят в слот, при этом подключаются контакты «первой очереди»: GND, VCC и CINS# (контакт, замыкающийся на «землю»). Затем карта опускается вниз, прижимаются контакты основного эластомерного разъема и замыкается контакт обнаружения CD#. Карты могут работать с питанием 5 и 3,3 В; для идентификации питания служат сигналы VS1#, VS2#. Карта Miniature Card через переходный адаптер может устанавливаться в слот PC Card типа 2.

Рис. 9.10. Карта Miniature Card: а — общий вид, б — вид снизу

При работе по интерфейсу DRAM используются линии адреса А[12:0] и управляющие сигналы RAS#, CASH# и CASL# (стробы для старшего и младшего байтов), а также WE#. Карты имеют отдельную линию питания Vccr для регенерации при отключенном основном питании.

При работе по интерфейсу флэш-памяти используются линии адреса А[24:0] и управляющие сигналы ОЕ# (чтение), WE# (запись), СЕН# и CEL# (выборка для старшего и младшего байтов).

9.4. Системная поддержка устройств хранения