وحدة تحكم ذاكرة فلاش

تتولى وحدة تحكم ذاكرة الفلاش (أو وحدة تحكم الفلاش ) إدارة البيانات المخزنة على ذاكرة الفلاش (عادةً ذاكرة فلاش NAND ) وتتواصل مع الحاسوب أو الجهاز الإلكتروني . يمكن تصميم وحدات تحكم ذاكرة الفلاش للعمل في بيئات ذات دورة تشغيل منخفضة، مثل بطاقات الذاكرة أو وسائط التخزين المماثلة المستخدمة في أجهزة المساعد الرقمي الشخصي والهواتف المحمولة ، وما إلى ذلك. تستخدم محركات أقراص الفلاش USB وحدات تحكم ذاكرة فلاش مصممة للتواصل مع أجهزة الحاسوب الشخصية عبر منفذ USB بدورة تشغيل منخفضة. كما يمكن تصميم وحدات تحكم الفلاش للعمل في بيئات ذات دورة تشغيل أعلى، مثل محركات الأقراص الصلبة (SSD) المستخدمة لتخزين البيانات في أنظمة الحواسيب المحمولة ، وصولاً إلى مصفوفات التخزين المؤسسية بالغة الأهمية . ^{[ 1 ]}

بعد تصنيع جهاز تخزين الفلاش مبدئيًا، تُستخدم وحدة تحكم الفلاش أولًا لتهيئة ذاكرة الفلاش. يضمن ذلك تشغيل الجهاز بشكل سليم، ويحدد خلايا ذاكرة الفلاش التالفة، ويخصص خلايا احتياطية لاستبدال الخلايا التالفة مستقبلًا. يُستخدم جزء من الخلايا الاحتياطية أيضًا لتخزين البرامج الثابتة التي تُشغّل وحدة التحكم، بالإضافة إلى ميزات خاصة أخرى لجهاز التخزين. يتم إنشاء بنية دليل لتمكين وحدة التحكم من تحويل طلبات القطاعات المنطقية إلى مواقعها الفعلية على رقائق ذاكرة الفلاش. ^{[ 1 ]}

عندما يحتاج النظام أو الجهاز إلى قراءة البيانات من ذاكرة الفلاش أو كتابتها إليها، فإنه يتواصل مع وحدة تحكم ذاكرة الفلاش. عادةً ما تحتوي الأجهزة البسيطة، مثل بطاقات SD ووحدات تخزين USB، على عدد قليل من رقائق ذاكرة الفلاش المتصلة في وقت واحد، وتقتصر العمليات على سرعة رقاقة ذاكرة الفلاش الفردية. في المقابل، تحتوي محركات الأقراص الصلبة عالية الأداء على عدد أكبر من الرقائق المنظمة بمسارات اتصال متوازية، مما يتيح سرعات تفوق سرعة رقاقة ذاكرة الفلاش الواحدة بأضعاف مضاعفة.

تتحمل ذاكرة الفلاش عددًا محدودًا من دورات البرمجة والمسح. فإذا تمت برمجة كتلة معينة من ذاكرة الفلاش ومسحها بشكل متكرر دون الكتابة إلى أي كتل أخرى، فإن هذه الكتلة ستتلف قبل باقي الكتل، مما يؤدي إلى إنهاء عمر جهاز التخزين قبل الأوان. ولهذا السبب، تستخدم وحدات التحكم في ذاكرة الفلاش تقنية تُسمى " موازنة التآكل" لتوزيع عمليات الكتابة بالتساوي قدر الإمكان على جميع كتل ذاكرة الفلاش في محرك الأقراص ذي الحالة الصلبة (SSD). وفي الوضع الأمثل، يُمكّن هذا كل كتلة من الوصول إلى حد الكتابة المسموح به (بالتيرابايت) . ^{[ 2 ]}

عادةً، تتضمن وحدات تحكم ذاكرة الفلاش أيضًا "طبقة ترجمة الفلاش" (FTL)، وهي طبقة أسفل نظام الملفات تقوم بربط عناوين الكتل المنطقية (LBAs) الخاصة بنظام الملفات أو جانب المضيف بالعنوان الفعلي لذاكرة الفلاش (ربط منطقي-فعلي). تشير عناوين الكتل المنطقية إلى أرقام القطاعات ووحدة ربط بحجم 512 بايت. يتم ربط جميع عناوين الكتل المنطقية التي تمثل الحجم المنطقي المرئي لنظام الملفات والذي يديره بموقع فعلي (معرف الكتلة، ومعرف الصفحة، ومعرف القطاع) في ذاكرة الفلاش. وكجزء من خوارزميات موازنة التآكل وغيرها من خوارزميات إدارة الفلاش (إدارة الكتل التالفة، وإدارة اضطرابات القراءة، والتعامل الآمن مع الفلاش، إلخ)، قد يتغير الموقع الفعلي لعناوين الكتل المنطقية بشكل ديناميكي ومتكرر. يمكن أن تختلف وحدات الربط في طبقة ترجمة الفلاش بحيث يتم ربط عناوين الكتل المنطقية على مستوى الكتلة، أو الصفحة، أو حتى على مستوى الصفحات الفرعية. اعتمادًا على نمط الاستخدام، يمكن أن تؤدي دقة الربط العالية إلى تقليل تآكل الفلاش بشكل كبير وزيادة عمر وسائط التخزين القائمة على الفلاش. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} تمت إضافة وظيفة إزالة التكرار للتخلص من البيانات الزائدة وعمليات الكتابة المكررة في FTL أيضًا. ^{[ 6 ]}

بما أن بيانات تعريف FTL تشغل مساحة تخزين خاصة بها في ذاكرة الفلاش، فإنها تحتاج إلى حماية في حالة انقطاع التيار الكهربائي. إضافةً إلى ذلك، من الممكن أن يتلف جدول الربط قبل أجزاء أخرى من ذاكرة الفلاش، مما يؤدي إلى إنهاء عمر جهاز التخزين قبل الأوان. عادةً ما يتم تجنب ذلك في أجهزة المؤسسات بتخصيص مساحة كبيرة لقطع الغيار، على الرغم من اقتراح استخدام أشكال تخزين أكثر متانة مثل MRAM لـ FTL أيضًا.

قد يكون لتقنية FTL ثلاثة أنواع: تعيين الصفحات، وتعيين الكتل، والتعيين الهجين. يتميز تعيين الصفحات بأداء أعلى، ولكنه يتطلب حجم بيانات تعريف FTL أكبر وتكلفة أعلى، ويُستخدم عادةً مع محركات الأقراص الصلبة . أما تعيين الكتل فيتميز بحجم بيانات تعريف أصغر وتكلفة أقل، ولكنه يتميز بأداء أقل، ويُستخدم عادةً مع ذاكرات الفلاش USB . في تطبيقات تعيين الصفحات لتقنية FTL، تكون نسبة حجم بيانات تعريف FTL إلى سعة التخزين عادةً 1:1000، على سبيل المثال، قد يحتوي جهاز تخزين فلاش بسعة 1 تيرابايت على 1 جيجابايت من بيانات تعريف FTL.

عادةً ما يتم تنفيذ تقنية FTL بواسطة برنامج ثابت يعمل على وحدة تحكم ذاكرة فلاش مدمجة في جهاز التخزين (مثل جميع محركات الأقراص الصلبة SSD تقريبًا، وذاكرة eMMC، وبطاقات SD، ووحدات تخزين USB المحمولة، وما إلى ذلك). مع ذلك، تقوم بعض الأنظمة بتوصيل المعالج المضيف مباشرةً برقائق الفلاش الخام دون وجود وحدة تحكم ذاكرة فلاش وسيطة، وتتولى بدلاً من ذلك إدارة القطاعات التالفة وموازنة التآكل بواسطة برنامج يعمل على المعالج المضيف. ^{[ 7 ]}

بعد كتابة جميع كتل وحدة تخزين الحالة الصلبة مرة واحدة، يحتاج متحكم الفلاش إلى العودة إلى بعض الكتل الأولية التي لم تعد تحتوي على بيانات حالية (وتُسمى أيضًا الكتل القديمة). تم استبدال البيانات في هذه الكتل بكتل جديدة، وهي الآن بانتظار مسحها لكتابة بيانات جديدة فيها. تُعرف هذه العملية باسم جمع البيانات المهملة (GC). تتضمن جميع وحدات تخزين الحالة الصلبة وبطاقات CF وغيرها من أجهزة تخزين الفلاش مستوىً ما من جمع البيانات المهملة. وتختلف سرعة قيام متحكم الفلاش بهذه العملية. ^{[ 8 ]}