Was macht eMMC-Flash-Speicher in mobilen Geräten, aber nicht in PCs lebensfähig?

Was macht eMMC-Flash-Speicher in mobilen Geräten, aber nicht in PCs lebensfähig?

What Makes Emmc Flash Memory Viable Mobile Devices

Von der Verwendung von Flash-Speicher zum Betrieb eines Desktop-Systems wie Windows wurde lange Zeit abgeraten. Aber was hat es zu einer wünschenswerten und praktikablen Option für mobile Geräte gemacht? Der heutige SuperUser Q&A-Post hat die Antwort auf die Frage eines neugierigen Lesers.



Die heutige Frage-und-Antwort-Sitzung kommt mit freundlicher Genehmigung von SuperUser – einer Unterabteilung von Stack Exchange, einer Community-gesteuerten Gruppierung von Q&A-Websites.

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Die Frage

SuperUser-Leser RockPaperLizard möchte wissen, was eMMC-Flash-Speicher in mobilen Geräten, aber nicht in PCs brauchbar macht:

Seit der Erfindung von USB-Sticks haben sich die Leute gefragt, ob sie ihre Betriebssysteme darauf ausführen können. Die Antwort war immer nein, da die Anzahl der Schreibvorgänge, die ein Betriebssystem benötigt, diese schnell verschleißen würde.

Da SSDs immer beliebter werden, hat sich die Wear-Leveling-Technologie verbessert, damit Betriebssysteme darauf laufen 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 in der Regel beispielsweise Wear-Leveling-Technologien?

Was macht eMMC-Flash-Speicher in mobilen Geräten nutzbar, aber nicht in PCs?

Die Antwort

Die SuperUser-Mitwirkenden Speeddymon und Journeyman Geek haben die Antwort für uns. Zuerst Speeddymon:

Alle Flash-Speichergeräte, von Tablets bis hin zu Mobiltelefonen, Smartwatches, SSDs, SD-Karten in Kameras und USB-Sticks verwenden die NVRAM-Technologie. Der Unterschied liegt in der NVRAM-Architektur und wie das Betriebssystem das Dateisystem auf jedem Speichermedium einhängt, auf dem es sich befindet.

Bei Android-Tablets und -Mobiltelefonen basiert die NVRAM-Technologie auf eMMC. Die Daten, die ich zu dieser Technologie finden kann, legen zwischen 3k bis 10k Schreibzyklen nahe. Leider ist nichts von dem, was ich bisher gefunden habe, definitiv, da Wikipedia die Schreibzyklen dieser Technologie leer hält. Alle anderen Orte, an denen ich gesucht habe, waren zufällig verschiedene Foren, also kaum eine zuverlässige Quelle.

Zum Vergleich: Die Schreibzyklen bei anderen NVRAM-Technologien wie SSDs, die NAND- oder NOR-Technologie verwenden, liegen zwischen 10k und 30k.

Nun zur Wahl des Betriebssystems, wie das Dateisystem gemountet werden soll. Ich kann nicht sagen, wie Apple das macht, aber für Android ist der Chip wie eine Festplatte partitioniert. Sie haben je nach Gerätehersteller eine Betriebssystempartition, eine Datenpartition und mehrere andere proprietäre Partitionen.

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Die echte Root-Partition befindet sich im Bootloader, der als komprimierte Datei (jffs2, cramfs usw.) zusammen mit dem Kernel gebündelt ist, so dass, wenn der Stufe-1-Boot des Geräts abgeschlossen ist (normalerweise der Logo-Bildschirm des Herstellers), der Kernel bootet und die Root-Partition wird gleichzeitig als RAM-Disk gemountet.

Beim Hochfahren des Betriebssystems wird das Dateisystem der primären Partition (/system, das auf Geräten vor Android 4.0 jffs2, auf Geräten seit Android 4.0 ext2/3/4 und auf den neuesten Geräten xfs ist) als schreibgeschützt gemountet dass keine Daten darauf geschrieben werden können. Dies lässt sich natürlich umgehen durch sogenanntes Rooten Ihres Geräts, das Ihnen als Superuser Zugriff verschafft und es Ihnen ermöglicht, die Partition als Lese-/Schreibzugriff wieder zu mounten. Ihre Benutzerdaten werden auf eine andere Partition auf dem Chip geschrieben (/data, die der gleichen Konvention wie oben basierend auf der Android-Version folgt).

Da immer mehr Mobiltelefone auf SD-Kartensteckplätze verzichten, denken Sie vielleicht, dass Sie die Schreibzyklusobergrenze früher erreichen, da alle Ihre Daten jetzt im eMMC-Speicher statt auf einer 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 Speicherbereich gespeichert und der fehlerhafte Bereich (sogenannter fehlerhafter Block) wird vom Dateisystemtreiber abgesperrt, sodass in Zukunft keine Daten mehr dort geschrieben werden. Wenn ein Lesevorgang fehlschlägt, werden die Daten als beschädigt markiert und der Benutzer wird entweder aufgefordert, eine Dateisystemprüfung (oder Datenträgerprüfung) durchzuführen, oder das Gerät überprüft beim nächsten Start automatisch das Dateisystem.

Tatsächlich hat Google ein Patent für die automatische Erkennung und Behandlung fehlerhafter Blöcke: Verwalten fehlerhafter Blöcke im Flash-Speicher für elektronische Daten-Flash-Karten

Um es auf den Punkt zu bringen, Ihre Frage, wie dies plötzlich praktisch wurde, ist nicht die richtige Frage. Es war von vornherein nie unpraktisch. Von der Installation eines Betriebssystems (Windows) auf einer SSD (vermutlich) wurde wegen der Anzahl der Schreibvorgänge auf eine Festplatte dringend abgeraten.

Zum Beispiel empfängt die Registry buchstäblich Hunderte von Lese- und Schreibvorgängen pro Sekunde, was mit der Microsoft-SysInternals Regmon-Tool .

Auf SSDs der ersten Generation wurde von der Installation von Windows abgeraten, da die Daten, die jede Sekunde in die Registrierung geschrieben wurden, (wahrscheinlich) aufgrund des fehlenden Wear-Levelings die frühen Anwender einholten und aufgrund von Registrierungsbeschädigungen zu nicht bootfähigen Systemen führten.

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

Für Windows Embedded-Geräte, wie viele der Kioske an öffentlichen Orten (wie Walmart, Kroger usw.), auf denen von Zeit zu Zeit ein zufälliger BSOD angezeigt wird, können nicht viele Konfigurationen vorgenommen werden, da sie sind mit Konfigurationen vorgefertigt, die sich nie ändern sollen. Änderungen finden in den meisten Fällen nur vor dem Beschreiben des Chips statt. Alles, was gespeichert werden muss, beispielsweise Ihre Zahlung an den Lebensmittelladen, wird über das Netzwerk an die Datenbanken des Geschäfts auf einem Server übertragen.

Gefolgt von der Antwort von Journeyman Geek:

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Die Antwort war immer nein, da die Anzahl der Schreibvorgänge, die ein Betriebssystem benötigt, diese schnell verschleißen würde.

Sie wurden schließlich für den Mainstream-Gebrauch kostengünstig. Dass der Verschleiß die einzige Sorge ist, ist eine Vermutung. Es gibt schon seit geraumer Zeit Systeme, die mit Solid-State-Speicher betrieben werden. Viele Leute, die Autocomputer gebaut haben, booteten von CF-Karten (die elektrisch kompatibel mit PATA und im Vergleich zu PATA-Festplatten trivial zu installieren waren) und Industriecomputer hatten kleine, robuste Flash-basierte Speicher.

Das heißt, es gab nicht viele Optionen für den durchschnittlichen Menschen. Sie könnten eine teure CF-Karte und einen Adapter für einen Laptop kaufen oder eine winzige, sehr teure Industriediskette auf einer Moduleinheit für einen Desktop finden. Sie waren im Vergleich zu zeitgenössischen Festplatten nicht sehr groß (moderne IDE-DOMs sind meiner Meinung nach bei 8 GB oder 16 GB). Ich bin mir ziemlich sicher, dass Sie Solid-State-Systemlaufwerke hätten einrichten können, lange bevor Standard-SSDs üblich wurden.

Es gab meines Wissens keine wirklich universellen/magischen Verbesserungen beim Wear Leveling. Es gab inkrementelle Verbesserungen, während wir uns von teuren SLC zu MLC, TLC und sogar QLC zusammen mit kleineren Prozessgrößen bewegt haben (alle niedrigere Kosten mit einem höheren Verschleißrisiko). Flash ist viel billiger geworden.

Es gab auch einige Alternativen, die keine Verschleißprobleme aufwiesen. Zum Beispiel das Ausführen des gesamten Systems über ein ROM (das wohl ein Solid-State-Speicher ist) und einen batteriegepufferten RAM, den viele frühe SSDs und tragbare Geräte wie der Palm Pilot verwendet haben. Nichts davon ist heute üblich. Festplatten rockten im Vergleich zu beispielsweise batteriegepuffertem RAM (zu teuer), frühen Solid-State-Geräten (etwas teuer) oder Bauern mit Fahnen (aufgrund der schrecklichen Datendichte nie angekommen). Auch moderner Flash-Speicher ist ein Nachkomme von schnell löschenden Eeproms und eeproms werden seit Ewigkeiten in elektronischen Geräten zum Speichern von Dingen wie Firmware verwendet.

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Festplatten waren einfach ein schöner Schnittpunkt von hohem Volumen (was wichtig ist), geringen Kosten und relativ ausreichendem Speicherplatz.

Der Grund, warum Sie eMMCs in modernen Low-End-Computern finden, ist, dass die Komponenten relativ billig sind, zu diesem Preis groß genug (für Desktop-Betriebssysteme) und Gemeinsamkeiten mit Mobiltelefonkomponenten aufweisen, sodass sie in großen Mengen mit einer Standardschnittstelle hergestellt werden. Sie bieten auch eine große Speicherdichte für ihr Volumen. Wenn man bedenkt, dass viele dieser Maschinen ein kümmerliches 32-GB- oder 64-GB-Laufwerk haben, das mit Festplatten von vor mehr als einem Jahrzehnt vergleichbar ist, sind sie eine vernünftige Option in dieser Rolle.

Wir sind endlich an dem Punkt angelangt, an dem man auf eMMCs und Flash kostengünstig und mit vernünftigen Geschwindigkeiten eine vernünftige Menge an Speicher speichern kann, weshalb sich die Leute für sie entscheiden.


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Bildnachweis: Martin Voltri (Flickr)

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Akemi Iwaya
Akemi Iwaya ist seit 2009 Teil des How-To Geek/LifeSavvy Media-Teams. Sie hat zuvor unter dem Pseudonym 'Asian Angel' geschrieben und war Lifehacker-Praktikantin, bevor sie zu How-To Geek/LifeSavvy Media kam. Sie wurde von ZDNet Worldwide als maßgebliche Quelle zitiert.
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