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11楼

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发表于 2024-12-27 22:45
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本帖最后由 s7964926 于 2024-12-27 23:05 编辑
好的。数据存储在 SD 卡上的物理过程可以用计算机科学和电子工程术语来描述。以下是详细的过程分解,包括 NAND 闪存技术的运作、控制器的作用以及数据读写的物理机制。
1. SD 卡的基本结构1.1 主要组件- NAND 闪存芯片:
- 用于存储数据,采用非易失性存储技术,断电后数据仍然保留。
- 数据以 电子状态(0 和 1) 的形式存储在存储单元中。
- 控制器芯片:
- 负责管理 NAND 闪存的读写操作,包括逻辑到物理地址的映射(FTL,Flash Translation Layer)。
- 负责数据校验、错误纠正(ECC)和均衡磨损(Wear Leveling)。
- 接口电路:
- 提供与主机(如播放器、电脑)的通信协议支持(如 SDIO、SPI)。
2. 数据存储在 NAND 闪存上的物理过程2.1 基础存储单元:浮动栅晶体管- NAND 闪存的存储单元基于 浮动栅晶体管(Floating-Gate Transistor):
- 控制栅(Control Gate):控制单元的开关状态。
- 浮动栅(Floating Gate):用于存储电荷。
- 氧化层:隔离浮动栅,使其保持电荷状态。
2.2 数据写入(编程)- 隧穿效应(Fowler-Nordheim Tunneling):
- 控制栅施加高电压,使电子通过氧化层,注入浮动栅。
- 浮动栅的电子数量决定晶体管的阈值电压。
- 阈值电压高 → 逻辑 0。
- 阈值电压低 → 逻辑 1。
- 单元状态(SLC、MLC、TLC):
- SLC(Single-Level Cell):每个存储单元存储 1 位(0 或 1)。
- MLC(Multi-Level Cell):每个单元存储 2 位(如 00、01、10、11)。
- TLC(Triple-Level Cell):每个单元存储 3 位(8 种状态)。
- 控制器的作用:
- 控制器将逻辑地址(如文件系统中的文件块号)映射到物理地址(NAND 闪存的存储单元)。
- 写入数据时,控制器使用 ECC(错误校正码)生成校验信息,确保数据完整性。
2.3 数据擦除- NAND 闪存的特性:
- 写入数据前必须先将存储单元擦除。
- 擦除操作通过清空浮动栅中的电荷实现,通常以“块”为单位。
- 擦除机制:
2.4 数据读取- 电压检测:
- 控制器根据浮动栅的阈值电压检测存储单元的状态。
- 如果电压高于某个阈值,读取逻辑 0。
- 如果电压低于某个阈值,读取逻辑 1。
- 多级状态(MLC/TLC):
2.5 数据校验与纠错- NAND 闪存的存储单元可能出现误码(因电子泄漏、干扰等),控制器通过以下方法保证数据可靠性:
- ECC(Error Correction Code):在数据写入时生成校验码,在读取时检测和纠正错误。
- Bad Block Management:标记和替换损坏的存储块。
3. SD 卡中的逻辑到物理映射NAND 闪存的物理操作对主机是透明的,主机通过文件系统访问数据,实际存储位置由控制器管理。
3.1 Flash Translation Layer(FTL)- 控制器通过 FTL 映射逻辑地址到物理地址:
- 文件系统提供逻辑块号(LBA)。
- 控制器将 LBA 转换为 NAND 闪存的物理单元地址。
3.2 均衡磨损(Wear Leveling)- 为避免频繁写入特定存储单元导致过早老化,控制器实现 Wear Leveling:
- 数据写入时,随机选择较少使用的存储块。
- 定期将旧数据迁移到新块,释放已擦除的块。
3.3 垃圾回收(Garbage Collection)- 当存储空间不足时,控制器会整理 NAND 闪存中的无效数据块,释放空间以供新数据写入。
4. 数据写入的具体过程假设主机(如音乐播放器)请求将一首音频文件写入 SD 卡,过程如下:
- 主机文件系统:
- 文件系统将音频文件分成数据块(如 4KB/块),分配逻辑地址。
- 通过 SD 卡接口协议(如 SDIO)发送写入请求和数据。
- SD 卡控制器:
- 接收到逻辑地址和数据后,通过 FTL 映射逻辑地址到 NAND 闪存的物理单元。
- 若目标块未擦除,触发擦除操作。
- 数据写入:
- 数据写入 NAND 闪存单元,控制器生成 ECC 校验信息。
- 控制器将校验码存储在额外的冗余空间(OOB,Out-of-Band)。
- 状态更新:
- 更新逻辑地址映射表,将新的物理地址与逻辑地址关联。
- 标记旧数据块为无效,等待垃圾回收。
5. 数据存储的可靠性- 耐用性限制:
- NAND 闪存的存储单元有写入/擦除周期限制(SLC 通常为 100,000 次,TLC 为 1,000 次)。
- 控制器通过均衡磨损和垃圾回收延长使用寿命。
- 数据保留期:
- NAND 闪存数据在未使用情况下可保留数年,但随着写入次数增加保留期会缩短。
6. 总结数据存储在 SD 卡上的过程涉及多个复杂的硬件和软件层次:
- 主机通过文件系统发出数据写入请求。
- 控制器将逻辑地址映射到 NAND 闪存物理单元。
- NAND 闪存通过电压控制存储电荷,实现 0 和 1 的存储。
- 控制器负责数据校验、均衡磨损和垃圾回收。
这一过程涉及的核心技术包括 NAND 闪存、FTL 算法、ECC、Wear Leveling 等,属于电子工程与计算机科学的交叉领域。
还有我发现你们这些反驳我的都拿不出实际的论据,有亿点点可笑~您还有啥要求吗?不要好为人师,如果您比我懂,请拿出具体的论据,精神胜利法在讨论中并不可取。
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