Phân tích nguyên lý lưu trữ dữ liệu của USB Flash memory

Nhóm4 -AT3B
Bài tập lớn môn: Kiến trúc máy tính
Bài tập lớn môn: Kiến trúc máy tính
Đề tài
Đề tài
: Phân tích nguyên lý lưu trữ dữ liệu của
: Phân tích nguyên lý lưu trữ dữ liệu của


USB Flash memory.
USB Flash memory.
GV hướng dẫn:
GV hướng dẫn:
Nhóm4
Nhóm4
:
:
1. Dũng
1. Dũng
2. Trần Đức Hoàn
2. Trần Đức Hoàn
3. Nguyễn Minh Khương
3. Nguyễn Minh Khương
4. Nguyễn Thành Luân
4. Nguyễn Thành Luân
5. Vũ Duy Thanh
5. Vũ Duy Thanh

Nhóm4 -AT3B
Mục Lục

Mục Lục
I. Giới thiệu chung về USB Flash
I. Giới thiệu chung về USB Flash
II. Cấu tạo USB Flash
II. Cấu tạo USB Flash
III. Nguyên lý lưu trữ của Chip Flash
III. Nguyên lý lưu trữ của Chip Flash
1. Giới thiệu Chip Flash
1. Giới thiệu Chip Flash
2. Ghi-xóa dữ liệu của Cell
2. Ghi-xóa dữ liệu của Cell
3. NOR Flash và NAND Flash
3. NOR Flash và NAND Flash
IV. Ứng dụng
IV. Ứng dụng

Nhóm4 -AT3B
I. Giới thiệu
I. Giới thiệu
- USB = U
- USB = U
niver Serial Bus
niver Serial Bus
(đường truyền tiếp nối đa
(đường truyền tiếp nối đa
dụng). Là một chuẩn giao tiếp tốc độ cao, được Intel và
dụng). Là một chuẩn giao tiếp tốc độ cao, được Intel và
Microsoft phát triển, còn gọi là
Microsoft phát triển, còn gọi là
Flash Storage

Flash Storage
(lưu trữ chớp
(lưu trữ chớp
nhoáng).
nhoáng).
- USB Flash là thiết bị lưu trữ dữ liệu ngoài máy tính.
- USB Flash là thiết bị lưu trữ dữ liệu ngoài máy tính.

Nhóm4 -AT3B
I. Giới thiệu
I. Giới thiệu


- USB Flash sử dụng loại bộ nhớ dạng
- USB Flash sử dụng loại bộ nhớ dạng
non-volatile
non-volatile
,
,
nghĩa là bộ nhớ không mất dữ liệu khi ngắt nguồn điện. Khá
nghĩa là bộ nhớ không mất dữ liệu khi ngắt nguồn điện. Khá
phổ biến là bộ nhớ
phổ biến là bộ nhớ
NVRAM
NVRAM


( non-volatile random access
( non-volatile random access
memory),

memory),
còn gọi là
còn gọi là
flash memory
flash memory
(bộ nhớ chớp choáng).
(bộ nhớ chớp choáng).



Nhóm4 -AT3B
II. Cấu tạo
II. Cấu tạo




Đây là hình một USB Flash khi tháo vỏ:
Đây là hình một USB Flash khi tháo vỏ:

Nhóm4 -AT3B
II. Cấu tạo
II. Cấu tạo

Nhóm4 -AT3B
II. Cấu tạo
II. Cấu tạo
1. Đầu cắm , cổng giao tiếp của USB.
1. Đầu cắm , cổng giao tiếp của USB.
2. Khối điều khiển bộ nhớ.

2. Khối điều khiển bộ nhớ.
3. Các đầu nối không chân cắm.
3. Các đầu nối không chân cắm.
4. Chíp nhớ
4. Chíp nhớ
NAND flash.
NAND flash.

Nhóm4 -AT3B
II. Cấu tạo
II. Cấu tạo
5. Bộ dao động tinh thể thạch anh.
5. Bộ dao động tinh thể thạch anh.
6. Đèn LED.
6. Đèn LED.
7. Chuyển mạch.
7. Chuyển mạch.
8. Khoảng trống nâng cấp thêm chíp nhớ.
8. Khoảng trống nâng cấp thêm chíp nhớ.

Nhóm4 -AT3B
III. Nguyên lý lưu trữ dữ liệu
III. Nguyên lý lưu trữ dữ liệu
1. Giới thiệu về Chip Flash
1. Giới thiệu về Chip Flash
- Chip của USB flash là 1 flash memory.
- Chip của USB flash là 1 flash memory.
- Flash memory là 1 dạng đặc trưng của
- Flash memory là 1 dạng đặc trưng của
EEPROM, nhưng nó khác với EEPROM là nó được

EEPROM, nhưng nó khác với EEPROM là nó được
xóa và ghi lại theo từng block, còn ban đầu EEPROM
xóa và ghi lại theo từng block, còn ban đầu EEPROM
chỉ có thể xóa toàn bộ. Flash memory rẻ hơn nhiều so
chỉ có thể xóa toàn bộ. Flash memory rẻ hơn nhiều so
với EEPROM.
với EEPROM.

Nhóm4 -AT3B
III. Nguyên lý lưu trữ dữ liệu
III. Nguyên lý lưu trữ dữ liệu
1. Giới thiệu về Chip Flash
1. Giới thiệu về Chip Flash
-Flash memory được chia thành 2 kiểu: NOR và
-Flash memory được chia thành 2 kiểu: NOR và
NAND. NOR (Not OR) sử dụng các cổng logic NOR
NAND. NOR (Not OR) sử dụng các cổng logic NOR
trong khi đó NAND (Not AND) lại sử dụng các cổng
trong khi đó NAND (Not AND) lại sử dụng các cổng
logic NAND.
logic NAND.



Nhóm4 -AT3B
III. Nguyên lý lưu trữ dữ liệu
III. Nguyên lý lưu trữ dữ liệu
2. Cell
2. Cell
- Flash memory lưu thông tin trong một mảng

- Flash memory lưu thông tin trong một mảng
các ô nhớ (cell). Các cell nhận giá trị 0 và 1 qua một quá
các ô nhớ (cell). Các cell nhận giá trị 0 và 1 qua một quá
trình phức tạp được gọi là F
trình phức tạp được gọi là F
owler-Nordheim tunneling.
owler-Nordheim tunneling.

Nhóm4 -AT3B
III. Nguyên lý lưu trữ dữ liệu
III. Nguyên lý lưu trữ dữ liệu
2. Cell
2. Cell
-
-
Tunneling
Tunneling
được dùng để thay đổi cách sắp đặt
được dùng để thay đổi cách sắp đặt
các electrons trên floating gate. Những Electrons kích
các electrons trên floating gate. Những Electrons kích
thích được đẩy qua (bởi một điện tích khoảng 10 đến 13
thích được đẩy qua (bởi một điện tích khoảng 10 đến 13
volts) và chặn lại ở mặt khác của lớp Oxit dày.
volts) và chặn lại ở mặt khác của lớp Oxit dày.

Nhóm4 -AT3B
III. Nguyên lý lưu trữ dữ liệu
III. Nguyên lý lưu trữ dữ liệu
2. Cell

2. Cell
- Một thiết bị đặc biệt được gọi là
- Một thiết bị đặc biệt được gọi là
cell sensor
cell sensor


sẽ
sẽ
theo dõi mức truyền của các electron qua floating gate.
theo dõi mức truyền của các electron qua floating gate.
Nếu trong ngưỡng 50% thì nó hiện giá trị 1, vượt quá
Nếu trong ngưỡng 50% thì nó hiện giá trị 1, vượt quá
50% thì nhận giá trị 0. Các electrons có thể được đẩy
50% thì nhận giá trị 0. Các electrons có thể được đẩy
trở lại vị trí ban đầu, khi đó cell nhận giá trị 1.
trở lại vị trí ban đầu, khi đó cell nhận giá trị 1.

Nhóm4 -AT3B
III. Nguyên lý lưu trữ dữ liệu
III. Nguyên lý lưu trữ dữ liệu
2. Cell
2. Cell

Nhóm4 -AT3B
III. Nguyên lý lưu trữ dữ liệu
III. Nguyên lý lưu trữ dữ liệu
2. Cell
2. Cell
- Mỗi cell tương tự như

- Mỗi cell tương tự như
MOSFET
MOSFET
,
,
ngoài cổng
ngoài cổng
điều khiển (control gate CG) giống như Transistor
điều khiển (control gate CG) giống như Transistor
MOS, còn có 1 cổng luân chuyển (floating gate FG)
MOS, còn có 1 cổng luân chuyển (floating gate FG)
được bảo vệ bằng 1 lớp oxit dày. FG đứng giữa CG và
được bảo vệ bằng 1 lớp oxit dày. FG đứng giữa CG và
kênh MOSFET. Bởi vì FG là tế bào điện độc lập được
kênh MOSFET. Bởi vì FG là tế bào điện độc lập được
cách ly bởi lớp cách điện, nên bất cứ electron nào bị lọt
cách ly bởi lớp cách điện, nên bất cứ electron nào bị lọt
vào lớp đó đều bị giữ lại (và vì thế nó lưu trữ thông tin
vào lớp đó đều bị giữ lại (và vì thế nó lưu trữ thông tin
ko ảnh hưởng thời gian)
ko ảnh hưởng thời gian)



Nhóm4 -AT3B
III. Nguyên lý lưu trữ dữ liệu
III. Nguyên lý lưu trữ dữ liệu
2. Cell
2. Cell
- Trạng thái mặc định tương ứng logic với giá trị

- Trạng thái mặc định tương ứng logic với giá trị
“1” nhị phân, bởi vì dòng điện sẽ đi qua kênh với điện
“1” nhị phân, bởi vì dòng điện sẽ đi qua kênh với điện
áp thích hợp tới cổng điều khiển.
áp thích hợp tới cổng điều khiển.

Nhóm4 -AT3B
III. Nguyên lý lưu trữ dữ liệu
III. Nguyên lý lưu trữ dữ liệu
2. Cell
2. Cell
- Ghi dữ liệu, tương đương việc chuyển cell thành
- Ghi dữ liệu, tương đương việc chuyển cell thành
giá trị “0” bởi thủ tục dưới đây:
giá trị “0” bởi thủ tục dưới đây:
* Điện áp 5V được đặt vào CG
* Điện áp 5V được đặt vào CG
* Kênh on, electron di chuyển giữa source và
* Kênh on, electron di chuyển giữa source và
drain
drain
* Điện áp giữa giữa source và drain đủ cao để
* Điện áp giữa giữa source và drain đủ cao để
vài electron có năng lượng cao nhảy qua khoảng
vài electron có năng lượng cao nhảy qua khoảng
cách điện của FG (hot-electron injection)
cách điện của FG (hot-electron injection)

Nhóm4 -AT3B
III. Nguyên lý lưu trữ dữ liệu

III. Nguyên lý lưu trữ dữ liệu
2. Cell
2. Cell
- Xóa dữ liệu, tương đương đưa cell về 1 (reset),
- Xóa dữ liệu, tương đương đưa cell về 1 (reset),
1 điệp áp cao đc đặt ngược lại giữa CG và drain, kéo
1 điệp áp cao đc đặt ngược lại giữa CG và drain, kéo
electron ra khỏi FG (quantum - tunneling)
electron ra khỏi FG (quantum - tunneling)

Nhóm4 -AT3B
III. Nguyên lý lưu trữ dữ liệu
III. Nguyên lý lưu trữ dữ liệu
3. NOR và NAND Flash
3. NOR và NAND Flash

Nhóm4 -AT3B
III. Nguyên lý lưu trữ dữ liệu
III. Nguyên lý lưu trữ dữ liệu
3. NOR và NAND Flash
3. NOR và NAND Flash
- NOR flash được tách ra thành các segment
- NOR flash được tách ra thành các segment
thường được gọi là các block hay các sector. Vì thao tác
thường được gọi là các block hay các sector. Vì thao tác
xóa chỉ có thể thực hiện trên từng đơn vị nhớ cơ bản
xóa chỉ có thể thực hiện trên từng đơn vị nhớ cơ bản
segment ( là block hoặc sector), nên khi xóa 1 segment
segment ( là block hoặc sector), nên khi xóa 1 segment
thì tất cả các cell thuộc segment đó bị xóa cùng 1lúc.

thì tất cả các cell thuộc segment đó bị xóa cùng 1lúc.
Tuy nhiên thì việc ghi các cell , thông thường có thể
Tuy nhiên thì việc ghi các cell , thông thường có thể
thực hiện ghi 1byte hoặc 1 từ mỗi lần.
thực hiện ghi 1byte hoặc 1 từ mỗi lần.

Nhóm4 -AT3B
III. Nguyên lý lưu trữ dữ liệu
III. Nguyên lý lưu trữ dữ liệu
3. NOR và NAND Flash
3. NOR và NAND Flash
- NOR flash cơ bản có số lần ghi-xóa nhiều,
- NOR flash cơ bản có số lần ghi-xóa nhiều,
nhưng phải cung cấp toàn bộ các địa chỉ và các bus dữ
nhưng phải cung cấp toàn bộ các địa chỉ và các bus dữ
liệu, nó cho phép truy xuất ngẫu nhiên đến bất kỳ vùng
liệu, nó cho phép truy xuất ngẫu nhiên đến bất kỳ vùng
nhớ nào.
nhớ nào.

Nhóm4 -AT3B
III. Nguyên lý lưu trữ dữ liệu
III. Nguyên lý lưu trữ dữ liệu
3. NOR và NAND Flash
3. NOR và NAND Flash
- NAND flash sử dụng tunnel injection (còn gọi
- NAND flash sử dụng tunnel injection (còn gọi
là Fowler-Nordheim tunneling) để ghi và tunnel release
là Fowler-Nordheim tunneling) để ghi và tunnel release
để xóa.

để xóa.

Nhóm4 -AT3B
III. Nguyên lý lưu trữ dữ liệu
III. Nguyên lý lưu trữ dữ liệu
3. NOR và NAND Flash
3. NOR và NAND Flash
- Bắt đầu tất cả các bit đều ở giá trị 1, bất kỳ vùng
- Bắt đầu tất cả các bit đều ở giá trị 1, bất kỳ vùng
nào thuộc block đều có thể ghi được. Nhưng khi 1 bit
nào thuộc block đều có thể ghi được. Nhưng khi 1 bit
được chuyển thành 0 chỉ có thể xóa toàn bộ khối mới có
được chuyển thành 0 chỉ có thể xóa toàn bộ khối mới có
thể đưa về trạng thái ban đầu. Ở dạng NOR flash, có thể
thể đưa về trạng thái ban đầu. Ở dạng NOR flash, có thể
yêu cầu truy xuất ngẫu nhiên quá trình ghi-xóa, nhưng ở
yêu cầu truy xuất ngẫu nhiên quá trình ghi-xóa, nhưng ở
đây thì ko thể như vậy.
đây thì ko thể như vậy.

Nhóm4 -AT3B
III. Nguyên lý lưu trữ dữ liệu
III. Nguyên lý lưu trữ dữ liệu
3. NOR và NAND Flash
3. NOR và NAND Flash
- Tuy nhiên, 1 khối như thế có thể được tái ghi
- Tuy nhiên, 1 khối như thế có thể được tái ghi
chừng nào mà các giá trị mới đều là bit 0. Ví dụ, giá trị
chừng nào mà các giá trị mới đều là bit 0. Ví dụ, giá trị
ban đầu đc xóa về là 1111, sau đó viết 1110, rồi 1010,

ban đầu đc xóa về là 1111, sau đó viết 1110, rồi 1010,
0010 và cuối cùng là 0000. Công nghệ này đã đc sửa
0010 và cuối cùng là 0000. Công nghệ này đã đc sửa
chữa ở thiết bị đa cấp (multi-level devices), nơi mà 1
chữa ở thiết bị đa cấp (multi-level devices), nơi mà 1
cell có thể lưu giữ nhiều hơn 1 bit.
cell có thể lưu giữ nhiều hơn 1 bit.

Nhóm4 -AT3B
III. Nguyên lý lưu trữ dữ liệu
III. Nguyên lý lưu trữ dữ liệu
3. NOR và NAND Flash
3. NOR và NAND Flash
- Mặc dù cả NAND và NOR Flash đều tương tự
- Mặc dù cả NAND và NOR Flash đều tương tự
nhau nhưng chúng cũng có một số điểm khác nhau.
nhau nhưng chúng cũng có một số điểm khác nhau.
NAND flash sử dụng công nghệ truy cập tuần tự phù
NAND flash sử dụng công nghệ truy cập tuần tự phù
hợp hơn cho việc lưu trữ dữ liệu. NOR flash là một
hợp hơn cho việc lưu trữ dữ liệu. NOR flash là một
công nghệ truy cập ngẫu nhiên, điều này làm cho nó tốt
công nghệ truy cập ngẫu nhiên, điều này làm cho nó tốt
hơn trong việc lưu trữ các chương trình sử dụng tốn ít
hơn trong việc lưu trữ các chương trình sử dụng tốn ít
bộ nhớ.
bộ nhớ.