【Maker電子學】Flash記憶體的原理與應用—PART16（SmartMedia）

Posted By Liang Bird on 12 月 11, 2024 in Flash 記憶體, Maker電子學, 教學文 | 0 comments

上一回，我們聊完了SPI介面的NOR Flash記憶體，這一次我們要進入一個有點複雜而且有點混亂的世界：SD/MMC/eMMC。

不管是SD還是MMC/eMMC，它們其實都是帶有控制器的NAND Flash。我們在說明Flash記憶體的工作原理時，有講過因為結構和讀寫原理的關係，NAND Flash 的可靠度先天就比 NOR Flash要差。

NAND Flash在讀取時，需要打開一整排的cell電晶體，但目的只是為了感應其中一顆有沒有導通，因此很容易造成floating gate中儲存的電荷受到干擾，而影響儲存內容的正確性，但結構上NAND Flash的密度就是遠高於NOR Flash，因此大容量的儲存應用幾乎都是 NAND Flash的天下。

為了克服 NAND Flash先天可靠度較差、容易出錯的特性，通常不會直接使用它，而必須搭配一個控制器，幫忙做錯誤偵測、錯誤校正、寫入壽命管理等工作。

NAND Flash 的濫觴

在正式進入 SD/MMC/eMMC 的世界之前，我們先來看看 NAND Flash儲存媒體的濫觴：SmartMedia。

（圖片來源：Bird 提供）

年紀稍長的讀者對這種記憶卡可能還有點印象，在SD卡攻佔全世界的數位相機市場之前，它可能是最常用的數位相機儲存媒體，巔峰時期有將近50%的市占率。

SmartMedia是 Toshiba 在掌握了 NAND flash 的量產技術後，於 1995 年推出的可插拔記憶體產品。1996 年，Toshiba 與當時的數位相機大頭：Fuji、Olympus 以及電玩巨擘 Sega，聯合成立了 SmartMedia 的標準化組織：SSFDC Forum。SSFDC 的意思是 Solid-state Floopy Disk Card，嗯，你沒聽錯，就是固態軟碟的意思（年紀稍小一點的讀者可能連機械式硬碟都沒看過了，更不用說軟碟），但這在當時確實是一大突破。

SmartMedia 只有 0.76 mm 厚，確實比當年主流的 3.5 吋軟碟片要薄得多，也小得多（最早的 SmartMedia 容量從 2M Bytes 開始，也跟軟碟片差不多），當年甚至有做成 3.5 吋軟碟片形狀的 SmartMedia 讀卡機：你可以把 SmartMedia 裝進這個讀卡機，再把它放進 3.5 吋的磁碟機中讀取。在那個還沒有 USB，且 serial port 只有 115.2 Kbps 的年代，這樣子的讀取技術其實相當有創意，即使讀一張 8M Bytes 的卡可能需要花 5 分鐘以上。

SmartMedia本人其實就是一顆長得扁扁的、經過特殊封裝、將接腳露出來的NAND Flash晶片，它沒有控制器。咦，我們前面不是才說過，NAND Flash需要控制器來幫忙cover一些它先天特性不佳的問題嘛？

對，但是當初為了成本的考量，Toshiba決定不在SmartMedia裡面放NAND Flash的控制器，而是把這些功能交由使用SmartMedia的裝置來處理。這對日後的應用造成了一些始料未及的問題。

SmartMedia的介面共有22支腳，基本上是個parallel的介面，以D0-D7 8個bit來傳輸指令和資料，而且它沒有clock訊號，仍是非同步的邏輯介面，最快的傳輸速度大概是每秒2M Bytes。SmartMedia還分成3.3V和5V兩種，卡片的外型略有不同，裝置可以藉由卡片的外型來判斷該用5V還是3.3V的介面去驅動它（由於它已經是歷史了，細節我們就不多提）。

不過關於SmartMedia儲存格式的細節，倒是值得我們細究，因為從這裡可以看出很多NAND Flash的特性。

SmartMedia的儲存格式

SmartMedia跟所有的Flash memory 一樣，可以部分抹除也可以部分寫入，而且寫入的單位比抹除的單位要小。在SmartMedia中，抹除的單位叫block，一次最少要抹掉一個block，而寫入的單位是page，不管讀或寫的單位都是page。

1MB和2MB的SmartMedia，page的大小是256 Bytes，4 MB以上的SmartMedia，page的大小是512 Bytes，每一個page除了256/512 Bytes的大小之外，還會搭配一小塊額外的空間，叫做redundant section，或者叫做OOB（out of band）area。