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.

Pozostałe aktualności

Złącze LVDS w komputerach przemysłowych

LVDS czyli Low Voltage Differential Signalling. Jest to standard transmisji danych z wykorzystaniem niskonapięciowego sygnału różnicowego przesyłanego kablem symetrycznym. Standard LVDS wykorzystywany jest do przesyłania sygnałów; grafiki 3D, fotografii wysokiej rozdzielczości, sygnałów wideo. Jego zastosowanie jest bardzo szerokie. Standard…

Dowiedz się więcej

Komunikacja światłowodowa

Światłowody stają się coraz bardziej popularne w małych i średnich sieciach biznesowych. Dzięki wysokiej niezawodności światłowody są dominującym rozwiązaniem dla; infrastruktury szkieletowej Ethernet, szybkiego Internetu, a także w przemyśle, gdzie potrzebna jest komunikacja na duże odległości z zachowaniem absolutnej…

Dowiedz się więcej

Standard COM-HPC

Standard COM-HPC to skrót od Computer on Module – High Performance Computing. Oznacza nowy, otwarty standard urządzeń o wysokiej wydajności, który powstał z myślą o przemysłowych systemach embedded. Rozwiązania embedded wyróżniają się; wytrzymałością mechaniczną, odpornością na ekstremalne warunki temperaturowe oraz…

Dowiedz się więcej