Was ermöglicht die Verwendung von Flash-Speicher für das Betriebssystem in Computern wie Tablets?

Seitdem Flash-Laufwerke (USB-Sticks) erfunden wurden, fragten sich die Leute, ob sie ihr Betriebssystem darauf ausführen könnten. Die Antwort war "Nein", da die Anzahl der von einem Betriebssystem benötigten Schreibvorgänge das Flash-Laufwerk schnell abnutzen würde.

Als SSDs populär wurden, wurden Verschleißausgleichstechnologien verbessert, damit Betriebssysteme auf ihnen ausgeführt werden können.

Verschiedene Tablets, Netbooks und andere schlanke Computer verwenden Flash-Speicher anstelle einer Festplatte oder SSD, und das Betriebssystem wird darauf gespeichert. Wie wurde das plötzlich praktisch? Implementieren sie beispielsweise normalerweise Verschleißausgleichstechnologien?

"Die Antwort war" Nein ", da die Anzahl der von einem Betriebssystem benötigten Schreibvorgänge das Flash-Laufwerk schnell abnutzen würde."

TLDR: Sie wurden schließlich kostengünstig für den Mainstream-Einsatz.

Diese Abnutzung ist das einzige Problem, das eine Vermutung ist. Es gab Systeme, die über einen beträchtlichen Zeitraum keinen Festkörperspeicher mehr hatten - viele Leute, die Auto-Computer bauten, die von CF-Karten (die mit PATA elektrisch kompatibel waren - gebootet wurden und die anstelle einer PATA-Festplatte trivial zu installieren waren), und Industrie-PCs hatten kleinen, robusten, Flash-basierten Speicher. Das heißt, es gab nicht viele Optionen für die durchschnittliche Person. Sie könnten eine teure CF-Karte und einen Adapter für einen Laptop kaufen oder eine winzige, sehr teure Industrieplatte auf der Moduleinheit für einen Desktop finden. Sie waren im Vergleich zu modernen Festplatten nicht sehr groß (moderne IDE-DOMs sind meiner Meinung nach mit 8 GB oder 16 GB ausgestattet). Ich bin mir ziemlich sicher, dass Sie Solid-State-Systemlaufwerke eingerichtet haben könnten, bevor Standard-SSDs üblich wurden

Soweit ich weiß, gab es keine wirklich universellen / magischen Verbesserungen bei der Verschleißnivellierung. Es gab inkrementelle Verbesserungen (während wir von teurem SLC zu MLC, TLC und sogar QLC übergegangen sind und kleinere Prozessgrößen, die alle kostengünstiger sind und ein höheres Verschleißrisiko aufweisen). Flash ist viel billiger geworden.

Es gab auch einige Alternativen, bei denen keine Verschleißprobleme auftraten - beispielsweise das Ausführen des gesamten Systems über ein ROM (bei dem es sich vermutlich um einen Festkörperspeicher handelt), einen batteriegepufferten RAM, den viele frühe SSDs und tragbare Geräte wie den Palm Pilot verwendeten. Keines davon ist heute üblich. Festplatten wiegten sich im Vergleich zu batteriegepuffertem RAM (zu teuer), frühen Solid-State-Geräten (etwas teuer) oder Bauern mit Flaggen (nie erfasst , schreckliche Datendichte). Sogar moderne Flash-Speicher sind ein Nachkomme von schnell löschbaren Eeproms. Eeproms werden seit Jahrhunderten in elektronischen Geräten zur Speicherung von Dingen wie Firmware verwendet.

Festplatten befanden sich einfach an einer schönen Schnittstelle zwischen hohem Volumen (was wichtig ist!), Niedrigen (ish) Kosten und relativ ausreichend Speicherplatz.

Der Grund, warum Sie emms in modernen Low-End-PCs finden, ist, dass die Komponenten zu diesen Kosten relativ billig und groß genug (für Desktop-Betriebssysteme) sind und die Gemeinsamkeiten mit Mobiltelefonkomponenten aufweisen. Sie werden daher in großen Mengen mit einer Standardschnittstelle hergestellt. Sie geben auch große Dichte der Lagerung für ihr Volumen. Angesichts der Tatsache, dass viele dieser Computer über ein dürftiges 32- oder 64-GB-Laufwerk verfügen, das den Festplatten von vor fast einem Jahrzehnt ebenbürtig ist, sind sie in dieser Rolle eine sinnvolle Option.

Wir haben endlich den Punkt erreicht, an dem Sie eine angemessene Menge an Speicher kostengünstig und mit angemessener Geschwindigkeit auf Emmcs und Flash speichern können, weshalb sich die Leute für sie entscheiden.

Alle Flash-Speichergeräte, von Tablets über Telefone bis hin zu Smartwatches, SSDs und sogar SD-Karten in Kameras und USB-Sticks, verwenden die NVRAM-Technologie. Der Unterschied liegt in der Architektur des NVRAM und in der Art und Weise, wie das Betriebssystem das Dateisystem auf einem beliebigen Speichermedium bereitstellt.

Für Android-Tablets und -Telefone basiert die NVRAM-Technologie auf eMMC. Die Daten, die ich zu dieser Technologie finden kann, deuten auf 3k bis 10k Schreibzyklen hin. Leider ist nichts von dem, was ich bisher gefunden habe, endgültig, da Wikipedia in den Schreibzyklen dieser Technologie leer ist. Alle anderen Orte, die ich mir angesehen habe, waren zufällig verschiedene Foren, also kaum das, was ich als zuverlässige Quelle bezeichnen würde.

Zum Vergleich: Bei anderen NVRAM-Technologien wie SSDs, die NAND- oder NOR-Technologie verwenden, liegen die Schreibzyklen zwischen 10.000 und 30.000.

Nun, in Bezug auf die Wahl des Betriebssystems, wie das Dateisystem gemountet werden soll ... Ich kann nicht darüber sprechen, wie Apple es macht, aber für Android ist der Chip wie eine Festplatte partitioniert. Sie haben eine Betriebssystempartition und eine Datenpartition sowie mehrere andere proprietäre Partitionen, abhängig vom Gerätehersteller. Die eigentliche Root-Partition befindet sich im Bootloader, der als komprimierte Datei (jffs2, cramfs usw.) zusammen mit dem Kernel gebündelt ist. Wenn der Start des Geräts in Stufe 1 abgeschlossen ist (normalerweise der Logo-Bildschirm des Herstellers), wird der Kernel gestartet und die Root-Partition wird gleichzeitig als RAM-Disk gemountet.

Beim Hochfahren des Betriebssystems wird das Dateisystem der primären Partition (/ system (jffs2 auf Geräten vor Android 4.0 und ext2 / 3/4 auf Geräten seit Android 4.0 und xfs auf den neuesten Geräten) als schreibgeschützt bereitgestellt, sodass no Daten können darauf geschrieben werden. Dies kann natürlich durch sogenanntes "Rooting" Ihres Geräts umgangen werden, wodurch Sie als Superuser darauf zugreifen und die Partition als Lese- / Schreibzugriff erneut bereitstellen können. Ihre "Benutzer" -Daten werden auf eine andere Partition auf dem Chip geschrieben (/ data, die der gleichen Konvention wie oben auf der Grundlage der Android-Version folgt).

Wenn immer mehr Telefone den SD-Kartensteckplatz verlassen, denken Sie möglicherweise, dass Sie die Schreibbeschränkung früher erreichen, da alle Ihre Daten jetzt im eMMC-Speicher anstelle der SD-Karte gespeichert werden. Glücklicherweise erkennen die meisten Dateisysteme einen fehlgeschlagenen Schreibvorgang in einen bestimmten Speicherbereich. Wenn ein Schreibvorgang fehlschlägt, werden die Daten stillschweigend in einem neuen Bereich des Speichers gespeichert, und der fehlerhafte Bereich (als fehlerhafter Block bezeichnet) wird vom Dateisystemtreiber abgesperrt, sodass in Zukunft keine Daten mehr dort geschrieben werden. Wenn ein Lesevorgang fehlschlägt, werden die Daten als beschädigt markiert und entweder wird der Benutzer aufgefordert, eine Dateisystemprüfung oder eine Datenträgerprüfung durchzuführen, oder das Gerät überprüft das Dateisystem beim nächsten Start automatisch.

Tatsächlich hat Google ein Patent für die automatische Erkennung und Behandlung fehlerhafter Blöcke.

https://www.google.com/patents/US7690031

Um mehr auf den Punkt zu bringen, Ihre Frage "Wie wurde dies plötzlich praktisch?" ist nicht die richtige Frage. Vielmehr war es überhaupt nicht unpraktisch. Es wurde dringend davon abgeraten, das Betriebssystem (Windows) (vermutlich) auf einer SSD zu installieren, da das Betriebssystem viele Schreibvorgänge auf die Festplatte ausführt.

Beispielsweise empfängt die Registrierung buchstäblich Hunderte von Lese- und Schreibvorgängen pro Sekunde, die mit dem Microsoft / SysInternals-Tool Regmon ( https://technet.microsoft.com/en-us/sysinternals/regmon.aspx ) angezeigt werden.

Von der Installation des Betriebssystems (Windows) auf SSD-Laufwerken der ersten Generation wurde abgeraten, da die Daten, die jede Sekunde in die Registrierung geschrieben wurden, aufgrund des fehlenden Verschleißniveaus wahrscheinlich die frühen Anwender einholten und aufgrund von Beschädigungen der Registrierung zu nicht bootfähigen Systemen führten.

Bei Tablets und Telefonen und so ziemlich jedem anderen eingebetteten Gerät gibt es keine Registrierung (Windows Embedded-Geräte sind natürlich Ausnahmen), und daher besteht keine Gefahr, dass Daten ständig auf dieselben Teile des Flash-Mediums geschrieben werden.

Für Windows Embedded-Geräte, wie z. B. viele der Kioske (einschließlich Walmart- und Kroger-Self-Checkout-Kioske) in der Öffentlichkeit - Sie wissen, diejenigen, bei denen von Zeit zu Zeit ein zufälliger BSOD angezeigt wird - gibt es nicht viel der Konfiguration, die durchgeführt werden kann, da sie mit Konfigurationen vorgefertigt sind, die sich niemals ändern sollen. In den meisten Fällen werden Änderungen nur vor dem Schreiben des Chips vorgenommen. Alles, was gespeichert werden muss (z. B. Ihre Zahlung an das Lebensmittelgeschäft), erfolgt über das Netzwerk mit den Datenbanken des Geschäfts auf einem Server.

Ihre Frage basiert auf der Annahme, dass die Schreibbeschränkungen für Flash-Speicher ohne umfangreiche Verschleißabgleichung für den primären Speicher eines Computergeräts ungeeignet sind. Es gibt eine Reihe von Computergeräten, einschließlich Tablets, Netbooks, Smartphones usw., die zu diesem Zweck Flash-Speicher verwenden, ohne den bei SSDs festgestellten Verschleiß.

Erinnerungsleben

Ich konnte keine Beweise dafür finden, dass der in diesen Geräten verwendete Speicher im Allgemeinen eine längere Lebensdauer hat als Flash-Laufwerke oder SD-Karten.

Obwohl Flash-Speicher verwendet wird, gibt es einige Unterschiede zu einem USB-Stick oder einer SD-Karte. Diese Computer verwenden normalerweise eMMC, das den Controller und den Flash-Speicher auf einem einzelnen Chip enthält und eine andere Architektur aufweist als eine SD-Karte oder ein Flash-Laufwerk. Ein Unterschied für den eMMC-Controller besteht darin, dass er eine Festplatte emuliert, sodass der Computer sie als bootfähiges Gerät betrachtet. Das ist ein Designkomfort.

Einige Hersteller behaupten, dass ihr eMMC-Controller eine bessere Verschleißausgleichung und eine robustere Fehlerkorrektur aufweist als eine typische SD-Karte oder ein Flash-Laufwerk. Das verbesserte ECC hat zur Folge, dass es eine stärkere Verschlechterung tolerieren und dennoch arbeiten kann, sodass es eine längere effektive Lebensdauer hat.

Da dies alles proprietär ist, ist es schwierig, harte Daten zu finden, um dies zu unterstützen. Selbst wenn es High-End-eMMCs gibt, die länger halten, wird dies bei den meisten dieser Geräte nicht unbedingt verwendet. Die verschiedenen Informationen, die ich über eMMC-Schreibbeschränkungen finden konnte, scheinen sich im selben allgemeinen Bereich wie SD-Karten und USB-Sticks zu befinden.

Es scheint, dass Speicher mit längerer Lebensdauer im Allgemeinen nicht die Grundlage für die Verwendung von Flash-Speicher als Primärspeicher in diesen Geräten ist. Alle waren nicht falsch über die Schreibgrenzen; Die Verwendung kann durch die Tatsache erklärt werden, dass die Anforderungen unterschiedlich sind.

Plattformunterschiede

PCs und Laptops sind Allzweckcomputer, die von Menschen für eine lange Zeit erwartet werden. Flash-Laufwerke und Speicherkarten eignen sich aufgrund der typischen Schreibmenge und der erwarteten Lebensdauer nicht als primäres Speichergerät. Dies spiegelt sich in der Anleitung wider, die Sie in der Frage beschrieben haben, und das hat sich nicht geändert (zumindest für die aktuelle Generation des Flash-Speichers).

Tablets, Netbooks, Smartphones und dergleichen sind eine andere Situation. Diejenigen, die Flash-Speicher als primären Speicher verwenden, sind Geräte mit beschränktem Verwendungszweck. Die Aufgaben, für die sie entwickelt wurden, ihre minimalen verfügbaren Hardwareressourcen zur Unterstützung anderer Verwendungszwecke, ihr grundlegendes Design sowie ihr Betriebssystem und ihre Software führen im Vergleich zu einem PC zu weniger Schreibvorgängen. Da diese Geräte auf Flash-Speicher angewiesen sind (in einem Format, das nicht austauschbar ist), sind die Schreibbeschränkungen eine Überlegung bei der Ausführung.

Sie haben auch eine kürzere Lebenserwartung. Die Geräte, die Flash-Speicher als primären Speicher verwenden, sind kostengünstig und für einen Markt konzipiert, in dem häufig Upgrades durchgeführt werden. Die Geräte bieten bestimmte Funktionen und Fähigkeiten in einem winzigen Formfaktor und halten so lange, wie sie auf den Komponenten basieren, aus denen sie bestehen. Es ist wahrscheinlich, dass der Akku vor dem Flash-Speicher ausfällt oder Teile brechen. Und es gibt ständiges Marketing, um Sie davon zu überzeugen, dass Ihr Gerät veraltet ist und durch das neueste Modell ersetzt werden muss.

Es gibt eine Geschichte, in der Henry Ford seine Ingenieure auf Schrottplätze geschickt hat, um nach Komponenten toter Autos zu suchen, die noch gut waren. Die Idee war, dass diese Teile billiger hergestellt werden könnten, weil sie nicht so lange halten mussten, wie sie es taten. Diese Logik gilt für den Flash-Speicher dieser Geräte. Es muss nur lange genug dauern, es muss das Gerät nicht lange überdauern.

Endeffekt

Es gibt Marktnischen für billige, winzige Computergeräte, die nicht so viel in den Primärspeicher schreiben, wie ein PC verarbeiten kann, und die nicht die gleichen Erwartungen an die Lebensdauer haben. Speicher in Form von eMMC ist billig, winzig, bootfähig und für diese Anwendung gut genug.