Przemysłowe karty Compact Flash
Karty Compact Flash są kartami pamięci, w których zastosowano pamięć typu flash NAND, czyli rodzaj trwałej (nieulotnej) pamięci komputerowej, stanowiącej rozwinięcie konstrukcyjne i kontynuację pamięci typu EEPROM. Jest to format kart zaproponowany przez firmę SanDisk w 1994 roku i jest to najdłużej dostępny na rynku format kart flash.
Czym są karty Compact Flash?
Standard Compact Flash (CF) określa zarówno specyfikację elektryczną, jak i fizyczną dla interfejsu 50-ciopinowego zawartego w jednej z dwóch rodzajów obudów.
Specyfikacja elektryczna kart CF jest identyczna ze standardem PCMCIA– wykorzystywane jest 50 z 68 dostępnych sygnałów.
Specyfikacja fizyczna kart Compact Flash
Karty CF typu I mogą pracować bezproblemowo w slotach przeznaczonych zarówno dla kart typu I jak i typu II.
Środowisko pracy
Typowy zakres temperatur pracy kart CF to 0⁰C~70⁰C. Niektóre przemysłowe karty CF mają budowę pozwalającą im na pracę w temperaturach nawet od -45⁰C do 95⁰C.
Karty te z reguły są wodoszczelne oraz mają znacznie podwyższoną odporność udarową niż inne nośniki.
Napięcie zasilania
Specyfikacja kart Compact Flash określa, że mogą one pracować w trzech trybach
- Zasilanie tylko napięciem 3,3 V
- Zasilanie tylko napięciem 5V
- Zasilane napięciem 3,3/5V
Karty dwunapięciowe są obecnie najszerzej stosowanie. W zależności od tego jakie napięcie jest dostępne, pod takim pracuje karta – następuje automatyczny wybór.
Typ pamięci flash
Budowa pamięci kart Compact Flash jest realizowana na dwa sposoby:
- SLC Flash – Single Level Cell – poszczególne komórki pamięci zrealizowanej w tej technologii przyjmują jedynie dwa stany. Karty CF zrealizowane w tej technologii mają znacznie większą żywotność niż pamięci MLC – wytrzymują do 70 000 zapisów na komórkę. Ponadto pamięci SLC mają znacznie wyższą tolerancję na niskie i wysokie temperatury pracy oraz zauważalnie większą szybkość odczytu danych.
- MLC Flash – Multi Level Cell – poszczególne komórki pamięci przyjmują wiele stanów napięciowych, obecnie maksymalnie 8 stanów, czyli 2 bity na jedną komórkę pamięci. Ta technologia wykonania jest mniej trwała (do 3000 zapisów), jednak jest znacznie tańsza, przez co chętnie wykorzystywana jest do budowy pamięci USB i SD.
Cel i zalety stosowania kart CF
Wykorzystanie kart CF zamiast dysków talerzowych w urządzeniach przemysłowych niesie ze sobą wiele korzyści. Jako podstawową korzyść uznaje się znacznie większą odporność na wstrząsy mechaniczne, co zmniejsza prawdopodobieństwo utraty danych w wyniku oddziaływania mechanicznego. Dodatkowymi zaletami są: mniejsza masa urządzenia, szybszy transfer danych, dłuższa bezawaryjność, mniejszy pobór prądu i emisja ciepła.
W przemyśle karty Compact Flash są często wykorzystywane w komputerach jednopłytkowych 3,5”, np. GENE-LN05 firmy Aaeon czy PCM-3343 firmy Advantech. Ponadto jest to nośnik chętnie wykorzystywany też w komputerach przemysłowych dedykowanych do zastosowań w transporcie, właśnie ze względu na swoje właściwości (odporność na wstrząsy, szybkość pracy).
Karty Compact Flash są również szeroko wykorzystywane jako nośniki danych w aparatach oraz kamerach cyfrowych. W szczególności dotyczy to profesjonalnych urządzeń przechwytujących obraz w wysokiej jakości.
Mimo rozpowszechnienia się dysków SSD SATA oraz ciągły spadek ich cen, wiele komputerów przemysłowych wciąż korzysta ze standardu Compact Flash właśnie ze względu na jego niezawodność i specyfikę pracy.
Wymiana starych dysków talerzowych wykonanych w standardzie IDE na karty CF jest najprostszym sposobem na widoczne zwiększenie wydajności komputera, zwłaszcza jeśli chodzi o starsze komputery przemysłowe wyposażone w takie dyski.
Rodzaje trybów dostępu do pamięci
Karta Compact Flash może pracować w jednym z trzech trybów dostępu do pamięci PC Card Memory Mode, PC Card I/O Mode, oraz True IDE Mode.
PC Card I/O Mode
W trybie PC Card I/O, plik zadaniowy (task file) jest mapowany w I/O przestrzeni pamięci.
PC Card Memory mode
W trybie PC Card Memory (lub Common Memory), rejestry plik zadaniowego (task file registers) są mapowane we wspólnej przestrzeni pamięci karty Compact Flash.
W tym trybie pamięci karta może wykonywać zarówno 8-bitowe jak i 16-bitowe operacje I/O do wspólnych adresów pamięci.
Tryb TRUE IDE
Tryb TrueIDE jest trybem pracy, w którym karta CF może pracować w oparciu o kontroler IDE. Można tego dokonać stosując adaptery IDE->CF, obsługujące do dwóch kart jednocześnie. Tryb TrueIDE, w przeciwieństwie do wykorzystania adapterów pasywnych, pozwala na traktowanie takich pamięci jako pamięci trwałe (fixed). Kontroler TrueIDE analizuje strumień danych przesyłanych pomiędzy pamięcią CF a kontrolerem IDE i przekazuje informacje o tym, że media są „stałe”. Pozwala to na instalację systemów operacyjnych na pamięciach CF z użyciem trybu TrueIDE.
Mimo, że interfejs elektryczny karty Compact Flash jest identyczny z interfejsami ATA to karty nie wspierające trybu TrueIDE mogą nie współpracować z przejściówkami IDE->CF.
Tryb TrueIDE może obsługiwać sprzętowo tzw. MultibootTrueIDE, gdzie dwie karty CF są podpięte do jednego adaptera i jedna z nich pracuje w trybie IDE Master a druga IDE Slave. Dzięki prostemu sposobowi można przełączać tryby w jakim pracują oba dyski, co pozwala na łatwą zmianę priorytetu bootowania lub stworzenia kopii zapasowej systemu operacyjnego.
PIO Mode
PIO czyli Programmed Input/Output jest podstawowym trybem transmisji danych kart CF pracujących w trybie TrueIDE. Transmisja danych odbywa się z wykorzystaniem procesora komputera jako części ścieżki przesyłanych danych. Jest to najwolniejszy z trybów pracy TrueIDE – prędkość transmisji nie przekracza tutaj 16.6 MB/s dla trybu PIO Mode 4. Jest to mało wydajny tryb ze względu na zużycie energii procesora i ograniczenie przepustowości danych. Obecnie bardzo rzadko korzysta się z tego trybu właśnie ze względu na jego małą wydajność – stosuje się go jedynie przy wykorzystywaniu aplikacji, które nie obciążają bardzo procesora czy też aplikacji jednozadaniowych.
PIO Mode | Cycle Time (nanoseconds) | Maximum Transfer Rate (MB/s) | Defining Standard |
Mode 0 | 600 | 3.3 | ATA |
Mode 1 | 383 | 5.2 | ATA |
Mode 2 | 240 | 8.3 | ATA |
Mode 3 | 180 | 11.1 | ATA-2 |
Mode 4 | 120 | 16.7 | ATA-2 |
Tabela 1. Prędkości przesyłu danych w poszczególnych trybach pracy PIO
DMA
DMA, czyli Direct Memory Acces jest cechą współczesnych komputerów oraz mikroprocesorów, która umożliwia niektórym podsystemom sprzętowym w komputerze na bezpośredni dostęp do pamięci systemowej w celu odczytu/zapisu, niezależnie od procesora. W przypadku kart Compact Flash pozwala to na swobodną transmisję danych pomiędzy kartą CF a pamięcią RAM. Dzięki takiemu zabiegowi można osiągnąć znacznie mniejsze obciążenie procesora podczas takich operacji a za czym idzie – zmniejszyć zużywaną przez niego energię oraz wydzielane ciepło. Szybkość transmisji danych w takim trybie nie przekracza 20 MB/s.
DMA Mode | Cycle Time (nanoseconds) | Maximum Transfer Rate (MB/s) | Defining Standard |
Single Word Mode 0 | 960 | 2.1 | ATA |
Single Word Mode 1 | 480 | 4.2 | ATA |
Single Word Mode 2 | 240 | 8.3 | ATA |
Tabela 2. Prędkości przesyłu danych w poszczególnych trybach pracy DMA Single Word Mode
DMA Mode | Cycle Time (nanoseconds) | Maximum Transfer Rate (MB/s) | Defining Standard |
Multiword Mode 0 | 480 | 4.2 | ATA |
Multiword Mode 1 | 150 | 13.3 | ATA-2 |
Multiword Mode 2 | 120 | 16.7 | ATA-2 |
Tabela 3. Prędkości przesyłu danych w poszczególnych trybach pracy DMA Multi Word Mode
Ultra DMA
Tryb Ultra DMA (w skrócie UDMA) został zaprojektowany w celu jak najlepszej optymalizacji interfejsu ATA. Koncepcją UDMA było wykorzystanie zarówno narastających jak i spadających zboczy sygnałów w celu zwiększenia transmisji danych, co oznaczało wzrost przepustowości sygnału o 100%. Tryb UDMA wprowadził także użycie kodu CRC w celu detekcji błędów transmisji danych. Tryb UDMA wymaga zastosowania odpowiedniego chipsetu w urządzeniu oraz odpowiedniej karty CF. Najszybsze obecnie karty CF to karty działające w trybie UDMA4 (Ultra-ATA /66), transfer danych jest tutaj na poziomie ≥66MB/s.
Ultra DMA Mode | Cycle Time (nanoseconds) | Maximum Transfer Rate (MB/s) | Defining Standard |
Mode 0 | 240 | 16.7 | ATA/ATAPI-4 |
Mode 1 | 160 | 25.0 | ATA/ATAPI-4 |
Mode 2 | 120 | 33.3 | ATA/ATAPI-4 |
Mode 3 | 90 | 44.4 | ATA/ATAPI-5 |
Mode 4 | 60 | 66.7 | ATA/ATAPI-5 |
Mode 5 | 40 | 100.0 | ATA/ATAPI-6 |
Tabela 4. Prędkości przesyłu danych w poszczególnych trybach pracy UDMA
Bit typu „Fixed” oraz „Removable”
Karty z bitem typu fixed mogą być widziane przez urządzenie jedynie jako pamięci masowe nieusuwalne z systemu. Stosowanie takich kart pozwala na swobodną instalację na nich systemów operacyjnych. Mowa tu przede wszystkim o systemach z rodziny Windows, które miewają problemy z instalacją na kartach typu removable. Karty z bitem typu Fixed nie mogą być stosowane np. do aparatów cyfrowych.
Karty z bitem typu removable to karty widziane jako nośnik wymienny, mogą być bezpiecznie usuwane podczas pracy urządzenia. Są to karty najczęściej dedykowane do pracy w aparatach i kamerach cyfrowych, rzadziej w komputerach. Instalacja systemu operacyjnego Windows na karcie tego typu jest dość problematyczna. Systemy z rodziny Linux nie powinny jednak mieć problemów z przyjęciem takiego dysku jako dysk systemowy.
Odpowiedni dobór karty CF ma duże znaczenie dla poprawnej i bezproblemowej współpracy z urządzeniem. Wybór nieodpowiedniej karty może przyczynić się do niepoprawnej pracy urządzenia lub nawet braku funkcjonalności. Firma CSI ma w swojej ofercie pamięci CF wielu producentów, m. in Cactus. Nasi pracownicy chętnie udzielą wsparcia przy doborze odpowiednich pamięci Compact Flash oraz przedstawią korzystną dla Państwa ofertę.
Inne wpisy
COM-HPC Mini – Nowa era modułowych systemów obliczeniowych w kompaktowym formacie
COM-HPC Mini – rewolucja w miniaturowych systemach obliczeniowych Format COM-HPC Mini to nowa kategoria w rodzinie COM-HPC. Została zaprojektowana z myślą o urządzeniach wymagających wysokiej wydajności i zaawansowanej komunikacji, ale w niezwykle małej obudowie. Niewątpliwie bazuje na…
Retencja danych
Pamięć masowa oparta na technologii NAND flash jest obecnie głównym wyborem dla wbudowanych systemów przemysłowych. Dzięki braku ruchomych części i wysokiej liczbie operacji wejścia/wyjścia na sekundę (IOPS), urządzenia z technologią NAND flash są bardzo skuteczne w aplikacjach przemysłowych i…
Zapobieganie błędom odczytu w pamięciach Hot i Cold Storage (ATP)
W dobie gwałtownego wzrostu i konsumpcji danych, wybór odpowiedniego medium przechowywania staje się wyzwaniem nie tylko pod względem pojemności, ale także niezawodności oraz integralności danych. W miarę jak urządzenia pamięci NAND flash przechodzą przez liczne operacje w swoim…