microSD卡会写坏吗？它里面有固件吗？它是如何构成的？

microSD卡会写坏吗？它里面有固件吗？它是如何构成的？ 原创 老狼zhihu 2019-01-13 23:37:07


最近我遇到点烦心事，手机相册忽然不能用了。开始时怀疑是小米手机的软件问题，但是发现存在microSD卡（后文用uSD卡代替）上的电影也出现问题后，我终于找到问题的根源：uSD卡。这让我有些吃惊，毕竟我买的Samsung EVO Plus 128GB uSD卡价格并不便宜，出于我对uSD卡构成和渠道的深刻了解，我之前一直向人推荐购买Samsung或者SanDisk的卡片。而我平时也就是看看电影，偶尔照照像，并不是自拍达人或者重度“视频录制爱好者”，按理来说并不需要Samsung Pro系列endurance很高的uSD。也许这次是我的运气不好，碰到个质量有问题的卡，那怎么办呢？尽管Samsung EVO号称十年的保固期，但我的私人数据该如何处理呢？
我决定Debug一下，将uSD插到我的树莓派上，开始了一个下午的“奇幻之旅”。一番折腾后，发现几乎所有的块读取指令都可以成功完成，但写操作几乎都是失败的。这表明uSD卡的FTL（Flash Translation Layer）层出现了问题，坏块可能已经导致新建映射关系完全失败了。更多关于FTL的知识可以看我的知乎专栏文章。
好在映射表并没有损坏，所以读操作都可以完成，已有数据还是安全的。在备份了所有的照片和电影之后，我长舒了一口气，看着这个uSD我又犯了难。要质保的话，我需要退还旧uSD卡，而因为不能写，导致不能删除所有数据，鬼知道Samsung的售后会如何对待我自拍的”美图“和电影！uSD有价而数据无价，为了安全起见还是用我的终极办法吧


羊角锤，数据安全专家的必备工具！
这件事让我想起很多朋友在读了我的NAND Flash系列和SSD硬盘系列文章后，问我uSD卡里面有没有FTL层。网上也有很多误解认为uSD卡是没有FTL层的。为了大家对uSD卡有个清楚的认识，今天我们就来了解一下uSD的构成以及回应一下误解。
什么是uSD卡？关于uSD的由来我就不过多介绍了，网上资料很多。相信大家都希望自己的手机可以支持uSD卡，毕竟花500多块钱，就可以购买到256G的额外容量，完全可以傲视iPhone的旗舰机的容量。虽说uSD的速度不及内置的NFS Flash，但作为存储照片、影像和资料来说是绰绰有余了。uSD很小：




它如此之小，以至于很多人认为它其中就是放的NAND Flash而别无它物，但事实是这样吗？
拆解uSD卡uSD卡结构十分紧凑，拆开它并不像拆开SD那么轻松，而且很可能会损坏它。幸亏有专业数据恢复公司这么做过（参考资料1），我们来一起一睹庐山真面目：

原始uSD

上锉刀

初露端倪

庐山真面目

这里用锉刀，也有些人用酸液腐蚀掉外面的套，会更加清楚些。看到这么复杂的结构，你这时也许会十分惊讶，但如果我们看看它真正的组成框图，你也许会更吃惊！
uSD的构成将uSD描述为一个小SSD一点也不夸张，一个简化的框图如下：


它包括自己的控制器，内存（有可能是控制器自带），和NAND Flash。猜猜这个控制器是什么？


是ARM！尤其是在大多数Class 10的uSD上，ARM和DMA协调工作，才能保证传输速度。具体举个例子，Samsung的uSD卡大多采用ARM7TDMI（详情见参考资料2），它是基于ARMv4T架构的，T代表Thumb指令集，D是说支持JTAG调试(Debugging)，M意指快速乘法器，I则对应一个嵌入式ICEBreaker模块：


小小的uSD卡也是有程序的，也就是有固件的，Samsung的固件就有128KB大小。
这个ARM7TDMI据我所知，运行在100MHz的频率上。它并不十分的昂贵，根据不同的出货量，它的Cost也就在$0.10到$0.30之间。
结论很多人都没想到，uSD卡虽小，五脏俱全。ARM控制器加上固件，它包括了冯诺依曼所有的元素，它实现了FTL层，从而实现了负载均衡。尽管SD卡的标准并没有明确要求实现负载均衡，但没有负载均衡的FTL层，某些特殊设计的写操作，在几分钟之内就可以写坏uSD卡，这是不可以接受的。所以，几乎所有uSD卡都实现了FTL层。
有趣的是现在很多SD卡，为了方便起见，直接内嵌了个uSD卡，节省了成本：


还有很多古怪的玩法，譬如SSD实际上是一堆uSD卡拼成，十分有趣。
另外评论区有朋友问TF卡和uSD的区别的问题。现在可以说他们是一回事，叫做不同的名字是有历史原因的，简单来说TF(TransFlash)发明比较早，后来被SD卡组织吸收合并，就几乎变成了一回事，有些细微的区别，详见参考资料3，但一般用户无感。

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