Wie funktionieren SD-Karten?
Ob auf unseren Mobiltelefonen, Kameras, Spielkonsolen oder Laptops, wir alle verwenden ab und zu Secure Digital (SD)-Karten für Speicherzwecke. Nun, jeder bevorzugt sie, dank ihrer geringen Größe, Haltbarkeit und nichtflüchtigen Speicher.
Wenn Sie ein Händchen für Technologie haben, haben Sie sich wahrscheinlich gefragt, wie SD-Karten funktionieren. Technisch gesehen, Es handelt sich um halbleiterbasierte Flash-Speicherkarten, die NAND-Flash-Speicher zum Speichern von Daten verwenden.
Darüber hinaus verwenden sie den Schreibschutzmechanismus, um versehentlichen Datenverlust zu verhindern. Wenn Sie mehr erfahren möchten, erfahren Sie in diesem Artikel alles, was Sie über SD-Karten und deren Funktionsweise wissen sollten.
SD-Karten verwenden NAND-Flash-Speicher
Das erste, was zu wissen ist, ist, dass SD-Karten NAND-Flash-Speicherchips einbetten, die Datenblöcke in Form von Gebühren speichern. Grundsätzlich verwendet die Technologie Kontroll- und Floating-Gates, die helfen, den Datenfluss zu steuern. Wenn Sie also Dateien, Dokumente oder sogar Fotos auf SD-Karten übertragen, werden sie alle elektronisch gespeichert.
Darüber hinaus basiert NAND auf Elektronisch programmierbarer Nur-Lese-Speicher (EEPROM), d.h. es kann elektronisch programmiert und gelöscht werden.
- Einstufige Zellen (SLC): Dieses NAND speichert nur ein Informationsbit in Form von 0 oder 1 in jeder Zelle, wodurch der Datenfluss beschleunigt wird. Obwohl sie die höchste Ausdauer haben, sind sie relativ teuer.
- Mehrstufige Zellen (MLC): Dieser NAND speichert zwei Informationsbits in jeder Zelle. Damit sind sie langsamer als die SLCs, aber vergleichsweise sparsam.
- Triple-Level-Zellen (TLC): Wie der Name schon sagt, speichert dieses NAND drei Informationsbits in jeder Zelle. Sie sind also noch weniger leistungsfähig als SLCs und MLCs.
- Quad-Level-Zellen (QLC): Dieses NAND speichert vier Datenbits pro Zelle. Daher wird angenommen, dass sie die langsamsten, billigsten und mit der geringsten Lebenserwartung unter den vier Arten sind.
- 3D-NAND: Im Gegensatz zu den oben genannten 2D-NANDs sind sie mehrschichtig und speichern Daten in übereinander gestapelten Speicherzellen. Dies sorgt für eine bessere Ausdauer und eine verbesserte Leistung gegenüber dem ersteren.
Grundsätzlich sind diese NAND-Typen einer der 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 sie 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. Zum Beispiel kann die Verwendung der Speicherkarten bei extremen Temperaturen, das Brechen der Pins oder das Halten in der Nähe eines starken Magneten (elektromagnetisches Feld) ihr Leben negativ beeinflussen.
Wie speichern und rufen SD-Karten Daten ab?
In früheren Tagen 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 relativ kleiner sind und zusätzlich großen Speicher unterstützen.
Wenn Sie sich die SD-Karte genau ansehen, werden Sie wahrscheinlich eine Reihe von Terminals (Pins) im oberen Bereich bemerken. Grundsätzlich sind einige Pins hier für die Stromversorgung der Karte verantwortlich, während andere Benutzern helfen, Daten wie Fotos, Videos, Dokumente und andere Dateien zu speichern oder wiederherzustellen.
Wie andere Speichergeräte auch diese Flash-Speicherkarten bestehen aus Transistoren (die wie elektrische Schalter funktionieren), um Daten in ASCII-Code (eine Kombination aus 0 und 1) zu speichern. Wenn der Schalter eingeschaltet ist, wird der Wert 1 auf der SD-Karte gespeichert, und wenn ausgeschaltet, wird 0 gespeichert.
Wenn Sie beispielsweise versuchen, das Wort Beispiel zu speichern, wird es als 01000101 01111000 01100001 01101101 01110000 01101100 01100101.
Nun, die Verwendung normaler Transistoren hilft nur bei der vorübergehenden Speicherung von Daten. Daher gehen die gespeicherten Daten verloren und wir können sie nicht wieder abrufen. So verwendet die NAND-Technologie, die von den SD-Karten verwendet wird, MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) , die Kontroll- und Floating-Gates verwendet, um Daten dauerhaft zu speichern.
Wie in der Krankheit gezeigtUstration oben besteht ein typischer Transistor aus einem einzelnen Gatter. Wenn hier eine positive Spannung von der Quelle geleitet wird (Wert ist 1), ist das Tor offen und Daten werden gespeichert. Wenn keine Spannung vorhanden ist (Wert auf 0 gesetzt), wird das Tor geschlossen und Informationen werden nicht gespeichert.
In einem solchen Fall, wenn wir unser Laufwerk von der Stromquelle entfernen, wird keine Spannung geleitet, und sogar die gespeicherten Daten gehen verloren. Daher ist die Verwendung eines Single-Gate-Transistors nicht auf SD-Karten anwendbar.
Sehen wir uns nun die Abbildung des MOSFET an, wie oben gezeigt. Wenn hier der Schalter eingeschaltet und die positive Spannung übergeben wird, wird ein Teil der Spannung oben am schwimmenden Tor gespeichert.
Dies stellt sicher, dass alle gespeicherten Daten auch dann erhalten bleiben, wenn wir die SD-Karte aus ihrem Steckplatz entfernen. Jetzt können wir diese Informationen leicht von jedem anderen Gerät abrufen. Interessanterweise können Sie sogar SD-Kartenleser und Adapter verwenden, wenn Ihr PC keinen SD-Kartensteckplatz hat.
Im Grunde Die Anzahl der Transistoren auf einer SD-Karte bestimmt die Gesamtspeicherkapazität in SD-Karten. Das bedeutet, je größer die Anzahl der MOSFETs ist, desto mehr Informationen werden gespeichert. Zum Beispiel hat eine 32-GB-Speicherkarte eine größere Anzahl von Transistoren als eine 16-GB-Speicherkarte, weshalb wir mehr Informationen in der ersteren speichern können.
Wenn Sie die gespeicherten Daten auf Ihrer SD-Karte löschen, wird diesmal eine negative Spannung im Steuertor geleitet. Dadurch wird die positive Spannung entfernt, wodurch die Daten gelöscht werden.
SD-Karten-Architektur
Eine SD-Karte funktioniert mit diesen sechs Komponenten – Kontaktpins, Register, Kartenschnittstellencontroller, Speicherkernschnittstelle, Einschalterkennung und Speicherkern. In diesem Abschnitt werden wir jeden von ihnen kurz besprechen.
Kontakt-Pins
Die neun Kontaktstifte oder Pads in einer SD-Karte stellen sicher, dass der gesamte Körper korrekt auf den dedizierten Steckplätzen in den unterstützten Geräten sitzt. Andernfalls wird Ihr Computer die SD-Karte wahrscheinlich nicht lesen.
Grundsätzlich verfügen die Speicherkarten über Daten-, Strom- und Steckplatzpins, die entweder SPI-Busmodus (Serial Peripheral Interface) oder SD-Busmodus. Darüber hinaus funktionieren sie nur nach der Schnittstelle zur Mikrocontroller-Einheit (MCU).
- Chip Select (CS): Dieses Pad oder Pin wählt einen oder einen Satz integrierter Schaltkreise aus. Wenn es aktiv ist, reagiert es auf Eingabeänderungen, und wenn es inaktiv ist, ignoriert es alle empfangenen Nachrichten.
- Befehl (CMD): Dies ist der Befehlspin, der der SD-Karte hilft, mit dem Mikrocontroller für den Austausch wichtiger Informationen zu interagieren.
- VSS1 oder GND: VVS1 ist der erste Spannungsquellenpin, an dem die Masse angeschlossen werden soll.
- VCC: VCC oder der Voltage Collector ist ein weiterer Power-Pin, der in SD-Karten verwendet wird und an die positive Stromversorgung von SD-Karten angeschlossen wird. Oft werden sie auch VDD oder Spannungsabfluss genannt.
- Uhr (CLK): Der Clock-Pin ist dafür verantwortlich, die Taktsignale oder Impulse vom Mikrocontroller zu erhalten.
- VSS2: Wie der VSS1 verbinden sie sich mit der Masse und werden auch als GND-Pin bezeichnet.
- DAT0 oder DO: Grundsätzlich sendet der Data Out oder der DAT0-Pin serielle Daten an die MCU. Im SPI-Modus wird dies vom SPI Slave genutzt.
- DAT1 und DAT2: Die letzten beiden Pins beziehen sich auf Daten und sind für die bidirektionale Kommunikation zwischen SD-Karte und MCU verantwortlich.
Wie eine SD-Karte hat auch die miniSD-Karte neun Kontaktpins, aber die microSD-Karte hat nur acht Pins, wo DAT2 fehlt.
Register
SD-Kartenregister sind wesentliche Komponenten, die verschiedene Speicher- und Speicherfunktionen steuern. Darüber hinaus haben sie auch Halten Sie wichtige Informationen bereit, wie die Identitätsnummer, Seriennummer, Herstellungsdatum usw. der Speicherkarten. Nachfolgend finden Sie eine Tabelle, die aus allen sechs Registern mit ihrer Länge und Funktion besteht:
| Registrieren | Funktion | Länge (in Bits) |
| OCR (Betriebsbedingungenregister) | Speichert den Spannungsbereich (2 – 3,6 V) | 32 |
| CID (Card Identification Register) | Speichert die eindeutige SD-Karten-Identifikationsnummer | 128 |
| RCA (Relative Kartenadresse) | (Nur im SD-Modus) Wählt die SD-Karte anhand der Adresse aus | 16 |
| DSR (Driver Stage Register) | Verantwortlich für die Antriebsausgänge | 16 |
| CSD (Kartenspezifisches Datenregister) | Speichert SD-Karten-spezifische Konfigurationsinformationen | 128 |
| SCR (SD Card Configuration Register) | Bietet spezielle Konfigurationsfunktionen | 64 |
Kartenschnittstellen-Controller
Der SD Card Interface Controller kommuniziert mit den Kontaktpins, Registern und der Speicherkernschnittstelle zu Verwalten des gesamten internen Speichers der Speicherkarte. Grundsätzlich empfängt der Controller Befehle von einem Endbenutzer und reagiert entsprechend.
Nun, eine SD-Karte ist ein Eingabegerät, und wenn wir sie auf einem PC mounten, muss die CPU andere Operationen halten und ihren Befehlen Priorität geben. Dank des Kartenschnittstellencontrollers werden diese Systemunterbrechungen jedoch erheblich minimiert.
Darüber hinaus führt der Card Interface Controller mehrere Operationen durch, darunter Lesen, Schreiben und Löschen Informationen auf den SD-Karten gespeichert.
Speicherkernschnittstelle
Memory Core Interface interagiert mit dem Card Interface Controller, um eine einfache und reaktionsschnelle Schnittstelle zu einer SD-Karte bereitzustellen.
Grundsätzlich ist die Komponente verantwortlich für die Gesamtumsetzung der Speicherkarte. Außerdem befiehlt und sendet es wichtige Informationen an den Card Interface Controller zur Durchführung von Datenoperationen.
Einschalterkennung
Die Einschalterkennung auf der rechten Seite erkennt die SD-Karte, nachdem wir sie auf einem unterstützenden Gerät montiert haben.
Darüber hinaus ist es liefert Strom an den Card Interface Controller und das Memory Core Interface für eine ordnungsgemäße Funktion. Außerdem benötigen Sie diese Komponente, wenn Sie die Speicherschnittstelle und den Controller der SD-Karten zurücksetzen möchten.
Speicherkern
Die letzte Komponente von SD-Karten ist der Memory Core. Grundsätzlich ist dies der Kernbereich für Datenspeicherung.
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 haben die höchste Speicherkapazität (2 TB bis 128 TB) und arbeiten auch schneller als die anderen SD-Familien (SDSC, SDHC und SDXC).
Die folgende Abbildung soll Ihnen helfen, die Größe und Speicherkapazität verschiedener SD-Kartentypen zu identifizieren.
Wie sicher sind SD-Karten?
Einer der Hauptgründe, warum Endbenutzer SD-Karten bevorzugen, ist ihre CPRM (Content Protection for Recordable Media) Merkmal. Dies gewährleistet den Urheberrechtsschutz; Daher können andere Ihre Inhalte nicht illegal kopieren.
Um CPRM zu aktivieren, müssen Sie Ihre Inhalte mit Medien-ID und Medienschlüsselblock. Auf diese Weise kann ein anderer Benutzer die Daten nicht lesen, selbst wenn er sie kopiert. Darüber hinaus benötigen Sie für den Zugriff auf die CPRM-codierten Daten ein CPRM-fähiges Gerät und verwenden die Medienkennung und den Medienschlüsselblock, um sie zu entschlüsseln.
Darüber hinaus verfügen einige SD, SDHC, SDUC und SDXC über einen zusätzlichen physischen Sicherheitsmechanismus innerhalb der Karte. Dies ist die Schreibschutzsperre und befindet sich im linken Teil der Speicherkarte.
Grundsätzlich aktiviert das Schieben der Sperre nach unten den Schreibschutz, was bedeutet, dass Sie keine Daten auf der SD-Karte ändern können. Wenn Sie es nach oben drücken, wird Ihre Karte entsperrt und der Schreibschutzmechanismus deaktiviert. Auf diese Weise wird verhindert, dass eine SD-Karte beschädigt wird.
Die meisten Speichergeräte sind anfällig für physische Schäden, nachdem sie aus einer bestimmten Höhe gefallen sind. Auf der anderen Seite ist eine SD-Karte Keilförmiges Design, Kerbe und Führungsnuten bieten zusätzliche Sicherheit. Darüber hinaus stellen sie sicher, dass die Karte korrekt in den dafür vorgesehenen Steckplatz eingesetzt ist.
