Ob es sich um Mobiltelefone, Kameras, Spielekonsolen oder Laptops handelt, wir alle verwenden von Zeit zu Zeit Secure Digital (SD)-Karten zu Speicherzwecken. Nun, jeder bevorzugt sie aufgrund ihrer geringen Größe, Haltbarkeit und ihres nichtflüchtigen Speichers.
Wenn Sie ein Gespür für Technik haben, haben Sie sich wahrscheinlich gefragt, wie SD-Karten funktionieren. Technisch ausgedrückt, sind halbleiterbasierte Flash-Speicherkarten, die NAND-Flash-Speicher zum Speichern von Daten verwenden.
Darüber hinaus nutzen sie den „Schreibschutz“-Mechanismus, um versehentlichen Datenverlust zu verhindern. Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, finden Sie in diesem Artikel alles, was Sie über SD-Karten und deren Funktionsweise wissen müssen.
SD-Karten verwenden NAND-Flash-Speicher
Das Erste, was Sie wissen müssen, ist, dass SD-Karten über NAND-Flash-Speicherchips verfügen, die Datenblöcke in Form von Ladungen speichern. Grundsätzlich verwendet die Technologie Floating- und Control-Gates, die dabei helfen, den Datenfluss zu steuern. Wenn Sie also Dateien, Dokumente oder sogar Fotos auf SD-Karten übertragen, werden diese alle elektronisch gespeichert.
Darüber hinaus basiert NAND auf Elektronisch programmierbarer Festwertspeicher (EEPROM)Das heißt, es kann elektronisch programmiert und gelöscht werden.
Neben SD-Karten wird NAND-Flash-Speicher auch in USB-Flash-Laufwerken, SSDs und anderen Speichergeräten verwendet. Nachfolgend sind fünf seiner Typen aufgeführt:
- Single-Level-Zellen (SLC): Dieses NAND speichert nur ein Informationsbit in Form von Nullen oder Einsen in jeder Zelle, wodurch der Datenfluss beschleunigt wird. Obwohl sie die größte Festigkeit aufweisen, sind sie relativ teuer.
- Mehrebenenzellen (MLC): Dieses NAND speichert zwei Informationsbits in jeder Zelle. Sie sind daher langsamer als SLCs, aber vergleichsweise sparsam.
- Triple-Level-Zellen (TLC): Wie der Name schon sagt, speichert dieser NAND drei Bits an Informationen in jeder Zelle. Daher sind sie noch leistungsschwächer als SLC und MLC.
- Vier-Level-Zellen (QLC): Dieses NAND speichert vier Datenbits pro Zelle. Daher wird angenommen, dass sie von allen vier Typen die langsamsten und billigsten sind und die kürzeste Lebenserwartung haben.
- 3D-NAND: Im Gegensatz zu den oben genannten 2D-NANDs verfügen sie über mehrere Schichten und speichern Daten in übereinander gestapelten Speicherzellen. Dies gewährleistet einen besseren Widerstand und eine bessere Leistung als das vorherige.
Grundsätzlich sind diese NAND-Typen einer von vielen Faktoren, die die Lebensdauer von SSDs, SD-Karten und anderen Speicherlaufwerken bestimmen. Wenn Sie also eine SD-Karte haben, die 3D NAND unterstützt, hält diese in der Regel länger.
Obwohl die meisten Hersteller behaupten, dass ihre SD-Karten zehn Jahre halten, sollten Sie wissen, dass es noch andere Dinge gibt, die die Lebensdauer bestimmen. Beispielsweise kann die Verwendung von Speicherkarten bei extremen Temperaturen, das Brechen von Stiften oder die Aufbewahrung in der Nähe eines starken Magneten (elektromagnetisches Feld) negative Auswirkungen auf ihr Leben haben.
Wie speichern und rufen SD-Karten Daten ab?
Früher haben wir uns stark auf andere Speicherlaufwerke wie Memory Sticks, Compact Flash-Karten, Smart Media-Karten usw. verlassen. Schließlich wurden sie durch SD-Karten ersetzt, da sie vergleichsweise leichter sind und auch großen Speicher unterstützen.
Wenn Sie sich die SD-Karte genau ansehen, werden Sie wahrscheinlich eine Reihe von Anschlüssen (Pins) im oberen Bereich bemerken. Grundsätzlich sind einige Pins für die Stromversorgung der Karte verantwortlich, während andere dazu dienen, Benutzern beim Speichern oder Abrufen von Daten wie Fotos, Videos, Dokumenten und anderen Dateien zu helfen.
Wie andere Speichergeräte auch, sind diese Flash-Speicherkarten auch bestehen aus Transistoren (die wie elektrische Schalter funktionieren), um beim Speichern von Daten im ASCII-Code (einer Kombination aus 0 und 1) zu helfen. Wenn der Schalter eingeschaltet ist, wird daher der Wert „1“ auf der SD-Karte gespeichert, und wenn er ausgeschaltet ist, wird „0“ gespeichert.
Wenn Sie beispielsweise versuchen, das Wort „Beispiel“ zu speichern, wird es als „01000101 01111000 01100001 01101101 01110000 01101100 01100101“ gespeichert.
Nun, die Verwendung normaler Transistoren hilft nur, Daten vorübergehend zu speichern. Daher gehen die gespeicherten Daten verloren und wir können sie nicht wiederherstellen. Daher wird die von SD-Karten übernommene NAND-Technologie verwendet MOSFET (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) das Floating- und Control-Gates verwendet, um Daten dauerhaft zu speichern.
Wie in der Abbildung oben gezeigt, besteht ein typischer Transistor aus einem einzelnen Gate. Wenn hier eine positive Spannung von der Quelle fließt (Wert ist 1), ist das Gate geöffnet und die Daten werden gespeichert. Wenn keine Spannung anliegt (Wert auf 0 gesetzt), schließt sich das Gate ebenfalls und die Informationen werden nicht gespeichert.
Wenn wir in einem solchen Fall unser Gerät vom Stromnetz trennen, fließt keine Spannung mehr und sogar die gespeicherten Daten gehen verloren. Daher ist die Verwendung eines Single-Gate-Transistors für SD-Karten nicht anwendbar.
Schauen wir uns nun die Abbildung des MOSFET an, wie oben gezeigt. Wenn hier der Schalter eingeschaltet ist und die positive Spannung durchgelassen wird, wird oben am Floating Gate etwas Spannung gespeichert.
Dadurch wird sichergestellt, dass alle gespeicherten Daten auch dann erhalten bleiben, wenn wir die SD-Karte aus ihrem Steckplatz entfernen. Jetzt können wir diese Informationen problemlos von jedem anderen Gerät wiederherstellen. Interessanterweise können Sie sogar SD-Kartenleser und -Adapter verwenden, wenn Ihr PC keinen SD-Kartensteckplatz hat.
Grundsätzlich, Die Anzahl der Transistoren auf einer SD-Karte bestimmt die Gesamtspeicherkapazität auf SD-Karten. Das heißt, je höher die Anzahl der MOSFETs, desto mehr Informationen werden gespeichert. Beispielsweise verfügt eine 32-GB-Speicherkarte über eine höhere Anzahl an Transistoren als eine 16-GB-Speicherkarte, sodass wir auf ersterer mehr Informationen speichern können.
Wenn Sie schließlich die auf Ihrer SD-Karte gespeicherten Daten löschen, leiten Sie dieses Mal eine negative Spannung über das Steuergate. Dadurch wird die positive Spannung entfernt, wodurch die Daten gelöscht werden.
SD-Kartenarchitektur
Eine SD-Karte arbeitet mit diesen sechs Komponenten: Kontaktstifte, Register, Kartenschnittstellen-Controller, Speicherkernschnittstelle, Einschalterkennung und Speicherkern. In diesem Abschnitt werden wir jeden einzelnen davon kurz besprechen.
Kontaktstifte
Die neun Pins oder Kontaktpads einer SD-Karte sorgen dafür, dass das gesamte Gehäuse korrekt in den dafür vorgesehenen Steckplätzen kompatibler Geräte sitzt. Andernfalls kann Ihr Computer die SD-Karte möglicherweise nicht lesen.
Grundsätzlich verfügen Speicherkarten über Daten-, Strom- und Steckplatz-Pins, die funktionieren SPI-Busmodus (Serial Peripheral Interface) oder SD-Busmodus. Darüber hinaus funktionieren sie nur nach Interaktion mit der Mikrocontroller-Einheit (MCU).
Nachfolgend sind die einzelnen Pins und ihre individuellen Funktionen aufgeführt:
- Chipauswahl (CS): Dieses Pad oder dieser Pin wählt einen oder mehrere integrierte Schaltkreise aus. Wenn es aktiv ist, reagiert es auf Eingabeänderungen und wenn es inaktiv ist, ignoriert es empfangene Nachrichten.
- Befehl (CMD): Dies ist der Befehlspin, der der SD-Karte hilft, mit dem Mikrocontroller zu interagieren und wichtige Informationen auszutauschen.
- VSS1 oder GROUND: VVS1 ist der erste Spannungsquellen-Pin, an den Masse angeschlossen wird.
- CVC: VCC oder Spannungskollektor ist ein weiterer Stromanschluss, der auf SD-Karten verwendet wird und mit der positiven Stromversorgung der SD-Karten verbunden wird. Sie werden oft auch VDD oder Spannungssenke genannt.
- Uhr (CLK): Der Clock-Pin ist dafür verantwortlich, die Taktsignale oder Impulse vom Mikrocontroller zu erhalten.
- VSS2: Wie der VSS1 sind sie mit Masse verbunden und werden auch als GND-Pin bezeichnet.
- DAT0 oder DO: Grundsätzlich sendet der Data Out- oder DAT0-Pin serielle Daten an die MCU. Im SPI-Modus wird dies vom SPI-Slave verwendet.
- DAT1 und DAT2: Die letzten beiden Pins sind datenbezogen und für die bidirektionale Kommunikation zwischen der SD-Karte und der MCU verantwortlich.
Wie eine SD-Karte verfügt auch die miniSD-Karte über neun Kontaktpins, die microSD-Karte verfügt jedoch nur über acht Pins, wobei DAT2 fehlt.
Aufzeichnungen
SD-Kartenregister sind wesentliche Komponenten, die verschiedene Speicher- und Speicherfunktionen steuern. Darüber hinaus auch Bewahren Sie wichtige Informationen aufB. die Identitätsnummer der Speicherkarte, die Seriennummer, das Herstellungsdatum usw. Nachfolgend finden Sie eine Tabelle mit den sechs Datensätzen mit ihrer Länge und Funktion:
| Aufzeichnen | Funktion | Länge (in Bits) |
| OCR (Operating Conditions Record) | Speichert den Spannungsbereich (2 – 3,6 V) | 32 |
| CID (Card Identification Registry) | Speichert die eindeutige Identifikationsnummer der SD-Karte | 128 |
| RCA (relative Kartenadresse) | (Nur im SD-Modus) Wählen Sie die SD-Karte nach Adresse aus | sechzehn |
| DSR (Treiberstufenregister) | Verantwortlich für die Unit-Outputs | sechzehn |
| CSD (kartenspezifischer Datensatz) | Speichert SD-Karten-spezifische Konfigurationsinformationen | 128 |
| SCR (SD-Kartenkonfigurationsdatensatz) | Bietet spezielle Konfigurationsfunktionen | 64 |
Sechs Register mit ihren Funktionen und Länge (in Bits)
Kartenschnittstellentreiber
Der SD-Karten-Schnittstellencontroller kommuniziert mit den Kontaktstiften, Registern und der Speicherkernschnittstelle Verwalten Sie den gesamten internen Speicher der Speicherkarte. Grundsätzlich empfängt der Controller Befehle von einem Endbenutzer und reagiert entsprechend.
Nun, eine SD-Karte ist ein Eingabegerät, und wenn wir sie in einen PC einbauen, muss die CPU andere Operationen ausführen und ihren Befehlen Priorität einräumen. Dank des Card-Interface-Controllers werden diese Systemunterbrechungen jedoch deutlich minimiert.
Darüber hinaus führt der Kartenschnittstellentreiber verschiedene Vorgänge aus, darunter lesen, schreiben und löschen auf SD-Karten gespeicherte Informationen.
Speicherkernschnittstelle
Die Speicherkernschnittstelle interagiert mit dem Kartenschnittstellen-Controller, um eine einfache und reaktionsschnelle Schnittstelle zu einer SD-Karte bereitzustellen.
Grundsätzlich ist die Komponente dafür verantwortlich allgemeine Umsetzung der Speicherkarte. Darüber hinaus werden wichtige Informationen zusammengestellt und an den Kartenschnittstellen-Controller gesendet, um Datenoperationen durchzuführen.
Zünderkennung
Die Einschalterkennung auf der rechten Seite erkennt die SD-Karte, nachdem wir sie in ein kompatibles Gerät eingelegt haben.
Außerdem, sorgt für Strom an den Kartenschnittstellen-Controller und die Speicherkernschnittstelle für einen ordnungsgemäßen Betrieb. Außerdem benötigen Sie diese Komponente, wenn Sie die Speicherschnittstelle und den SD-Karten-Controller zurücksetzen möchten.
Speicherkern
Die letzte Komponente von SD-Karten ist der Memory Core. Im Grunde ist dies der Kernbereich für Datenspeicher.
Der Speicherbereich hängt jedoch von der verwendeten SD-Kartenfamilie ab. Tatsächlich wird die Funktionsweise einer SD-Karte stark von ihrem Typ beeinflusst. Kurz gesagt: SDUCs verfügen über die höchste Speicherkapazität (2 TB bis 128 TB) und laufen auch schneller als die anderen SD-Familien (SDSC, SDHC und SDXC).
Die folgende Abbildung soll Ihnen dabei helfen, die Größe und Speicherkapazität verschiedener SD-Kartentypen zu ermitteln.
Wie sicher sind SD-Karten?
Einer der Hauptgründe, warum Endbenutzer SD-Karten bevorzugen, ist ihre CPRM (Inhaltsschutz für beschreibbare Medien) charakteristisch. Dadurch wird der Urheberrechtsschutz gewährleistet; Daher können andere Ihre Inhalte nicht illegal kopieren.
Um CPRM zu aktivieren, müssen Sie Ihre Inhalte mit kodieren Medienkennung Und Multimedia-Tastenblock. Auf diese Weise kann ein anderer Benutzer die Daten nicht lesen, selbst wenn er sie kopiert. Um auf CPRM-verschlüsselte Daten zuzugreifen, benötigen Sie außerdem ein CPRM-fähiges Gerät und verwenden die Medienkennung und den Medienschlüsselblock zum Entschlüsseln.
Darüber hinaus verfügen einige SD-, SDHC-, SDUC- und SDXC-Karten über einen zusätzlichen physischen Sicherheitsmechanismus in der Karte. Dies ist das Schreibschutzsperre und befindet sich auf der linken Seite der Speicherkarte.
Grundsätzlich wird durch das Herunterschieben der Sperre der Schreibschutz aktiviert, was bedeutet, dass Sie keine Daten auf der SD-Karte ändern können. Wenn Sie die Taste nach oben drücken, wird Ihre Karte entsperrt und der Schreibschutzmechanismus deaktiviert. So verhindern Sie, dass eine SD-Karte beschädigt wird.
Darüber hinaus sind die meisten Speichergeräte anfällig für physische Schäden, wenn sie aus einer bestimmten Höhe fallen. Andererseits eine SD-Karte Keilförmiges Design, Kerbe und Führungsrillen sorgen für zusätzliche Sicherheit. Darüber hinaus stellen sie sicher, dass die Karte korrekt in den dafür vorgesehenen Steckplatz eingesetzt wird.
