{"id":504,"date":"2020-12-06T08:52:36","date_gmt":"2020-12-06T08:52:36","guid":{"rendered":"https:\/\/picockpit.com\/raspberry-pi\/?p=504"},"modified":"2023-11-13T11:42:54","modified_gmt":"2023-11-13T11:42:54","slug":"monitor-sd-card-health-of-raspberry-pi","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/picockpit.com\/raspberry-pi\/de\/monitor-sd-card-health-of-raspberry-pi\/","title":{"rendered":"Alles \u00fcber den Zustand der SD-Karte auf dem Raspberry Pi"},"content":{"rendered":"
\"Zustand<\/figure>\n\n\n\n

Die SD-Karte ist - neben der Stromversorgung - eine wichtige zus\u00e4tzliche Komponente des Raspberry Pi. Die \u00dcberwachung ihres Zustands ist sehr wichtig, um einen reibungslosen Betrieb des Raspberry Pi-Betriebssystems und eine gute Benutzererfahrung zu gew\u00e4hrleisten. Dieser Artikel zeigt Ihnen mehrere M\u00f6glichkeiten, wie Sie den Zustand Ihrer microSD-Karte \u00fcberpr\u00fcfen und \u00fcberwachen k\u00f6nnen.<\/p>\n\n\n\n

Zun\u00e4chst gebe ich einen ausf\u00fchrlichen \u00dcberblick \u00fcber die Funktionsweise von Speicherkarten, damit Sie die M\u00f6glichkeiten und Grenzen der \u00dcberpr\u00fcfung des Zustands Ihrer SD-Karte verstehen k\u00f6nnen.<\/p>\n\n\n\n

Dann erkl\u00e4re ich, wie Sie Ihre microSD-Karte sch\u00fctzen k\u00f6nnen, indem Sie h\u00e4ufige Probleme von Raspberry Pi-Benutzern vermeiden. Wir gehen auch auf die besten microSD-Kartenmarken f\u00fcr Raspberry Pi ein, die wir empfehlen.<\/p>\n\n\n\n

Wenn Sie m\u00f6chten, k\u00f6nnen Sie auch weiter nach unten springen, um nur die Linux-Befehle zur \u00dcberpr\u00fcfung des aktuellen Status der microSD-Karte zu erhalten.<\/p>\n\n\n\n

Die Grundlagen: Das Innere der microSD-Karte<\/h2>\n\n\n
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\"Das
Abbildung: Illustration des Inneren einer SD-Karte. Die microSD-Karte hat eine \u00e4hnliche Struktur. Bildquelle: CC-BY-SA Korpsvart<\/a>, Wikimedia Commons<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

Die microSD-Karte enth\u00e4lt einen Flash-Speicherchip (links im Bild) und einen Mikrocontroller (rechts im Bild, meist ARM-basiert).<\/p>\n\n\n\n

Blitzlicht<\/h3>\n\n\n\n

Der Flash-Speicher speichert Informationen durch \"Einfangen\" von Elektronen<\/strong>die mit Hochspannung durch einen Nichtleiter in eine so genannte bewegliches Tor<\/strong>(**). Die Elektronen sind also Teil eines Transistors, der je nach der Ladung des schwebenden Gates einen angeschlossenen Strom flie\u00dfen l\u00e4sst oder nicht. Theoretisch k\u00f6nnen sie nicht abflie\u00dfen, weil das schwebende Gate elektrisch isoliert ist<\/strong>. Das bedeutet, dass die Informationen auch nach dem Abschalten der Stromversorgung erhalten bleiben.<\/p>\n\n\n\n

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Bilder: CC-BY-SA \u0414.\u0418\u043b\u044c\u0438\u043d Wikimedia Commons<\/a> \/  Jlochoap CC-0<\/a><\/em><\/figcaption><\/figure>\n<\/div><\/div>\n<\/div>\n\n\n
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\"\"<\/figure>\n<\/div>\n\n\n

Die Information wird immer zwischen Source (S) und Drain (D) gelesen. In das Floating Gate eingebrachte Elektronen erh\u00f6hen z. B. die Schwellenspannung des Transistors, ab der Strom flie\u00dfen w\u00fcrde. Der Transistor sperrt dann bei einer normalen Lesespannung (leitet nicht).<\/p>\n\n\n\n

F\u00fcr die Programmierung des Floating-Gates sind deutlich h\u00f6here elektrische Spannungen (z.B. 10 V) notwendig als f\u00fcr den normalen Lesebetrieb (z.B. 3,3 V). Dabei spielt zus\u00e4tzlich das Steuergate (V1\/V2\/V3) eine Schl\u00fcsselrolle.<\/p>\n\n\n\n

Um alles zu l\u00f6schen, treibt das Steuer-Gate Elektronen aus dem Floating-Gate, indem es eine hohe negative Spannung anlegt.<\/p>\n\n\n\n

Die in microSD-Karten verwendeten NAND-Flash-Komponenten gruppieren die einzelnen Speichertransistoren zu Seiten und mehrere der Seiten zu Bl\u00f6cken. Eine Seite hat zwischen 512 und 8192 Byte, ein Block kann bis zu 256 Seiten enthalten (also insgesamt 2048 kB bei 8kB Seitengr\u00f6\u00dfe).<\/p>\n\n\n\n

Das Schreiben (f\u00fcr eine logische \"1\") kann bitweise oder zumindest byte-\/wortweise erfolgen. Das L\u00f6schen (f\u00fcr eine logische \"0\") kann nur blockweise erfolgen. Unver\u00e4nderte Informationen m\u00fcssen neu einprogrammiert werden.<\/p>\n\n\n\n

Flash-Speicher haben aufgrund des Programmierens und L\u00f6schens eine begrenzte Lebensdauer, die wir in L\u00f6schzyklen berechnen.<\/strong><\/span><\/p>\n\n\n\n

Der Grund f\u00fcr die begrenzte Lebensdauer ist die Besch\u00e4digung der isolierenden Oxidschicht, die das schwebende Gate vor Ladungsverlusten sch\u00fctzt und durch die hohen Spannungen verursacht wird. Sobald diese Schicht leitf\u00e4hig wird, kann die Speicherzelle keine Informationen mehr aufnehmen.<\/p>\n\n\n\n

\u00dcbrigens: Mehrstufige Zellspeicherzellen<\/h3>\n\n\n\n

Urspr\u00fcnglich gab es nur zwei Ladungszust\u00e4nde (1 Bit an Informationen<\/strong>) pro Speicherzelle. Dank mehrerer Floating Gates pro Transistor speichern nun mehrstufige Zellspeicherzellen unterschiedliche Ladungszust\u00e4nde und damit mehrere Bits pro Speichertransistor. Beim Auslesen wertet das System aus, wie unterschiedlich der angelegte Strom durch den Transistor geleitet wird.<\/p>\n\n\n\n

Dadurch l\u00e4sst sich einerseits die Dichte der Speicherzellen deutlich erh\u00f6hen, andererseits ist das Auslesen langsamer und die Speicherzellen reagieren wesentlich empfindlicher mit Bitfehlern auf Ladungsverluste. Bei Single-Level-Zellen sind 100.000 bis 1.000.000 Schreib-L\u00f6schzyklen m\u00f6glich, bei TLCs (Triple-Level-Zellen mit drei Bits pro Speicherzelle) ca. 1000 Schreib-L\u00f6schzyklen.<\/p>\n\n\n\n

Aus diesem Grund haben industrielle SD-Karten in der Regel eine geringere Speicherdichte und verwenden SLC (Single Level Cells), um eine bessere Datenintegrit\u00e4t zu gew\u00e4hrleisten.<\/strong>.<\/span><\/p>\n\n\n\n

Der Controller<\/h3>\n\n\n\n

Die Aufgabe des Controllers ist die Verwaltung des Blitzes, insbesondere die Durchf\u00fchrung Verschlei\u00dfnivellierung und Lesefehlerkorrektur<\/strong>. Die Leistung und Langlebigkeit der microSD-Karte h\u00e4ngt entscheidend von den im Controller verwendeten Algorithmen ab.<\/p>\n\n\n\n

Flash-Speicher k\u00f6nnen aufgrund der oben beschriebenen Besch\u00e4digung der isolierenden Oxidschicht der Floating-Gates nicht beliebig oft wiederbeschrieben werden. Um Sch\u00e4den an einzelnen, besonders h\u00e4ufig genutzten Bereichen zu vermeiden, der Controller variiert die physische Zuordnung zu den Bl\u00f6cken, die vom Dateisystem logisch adressiert werden k\u00f6nnen (= Wear Leveling).<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Diese Variation der physischen Zuweisung ist auch der Grund daf\u00fcr, dass die Schreibpr\u00fcfung der SD-Karte (durch Schreiben und Lesen mit Bad-Block-Tools usw.) die wirklich fehlerhaften Bl\u00f6cke nicht identifiziert und es Ihnen erm\u00f6glicht, sie auf der Ebene des Betriebssystems\/Dateisystems zu vermeiden! Nur der Flash-Speicher-Controller in der microSD-Karte wei\u00df, welcher Block zu einem bestimmten Zeitpunkt beschrieben oder gelesen wird, und wie bereits erw\u00e4hnt, kann sich dies im Laufe der Zeit \u00e4ndern.<\/strong><\/span><\/p>\n\n\n\n

Defekte Bl\u00f6cke (Bad Blocks) sind bereits im fabrikneuen Flash-Speicher vorhanden. Diese defekten Bl\u00f6cke werden in einem speziellen Bereich des Flash-Speichers markiert.<\/p>\n\n\n\n

Es werden auch Fehlerkorrekturinformationen f\u00fcr einzelne Bl\u00f6cke verwaltet, so dass Lesefehler durch Pr\u00fcfsummen korrigiert werden k\u00f6nnen. Der Controller f\u00fcgt Bl\u00f6cke mit geh\u00e4uften Lesefehlern zur Liste der fehlerhaften Bl\u00f6cke hinzu und verschiebt die tats\u00e4chliche physische Zuordnung des logischen Blocks.<\/p>\n\n\n\n

Die microSD-Karte hat - je nach Hersteller - in der Regel etwa 10% freie Kapazit\u00e4t, um die schlechten Bl\u00f6cke durch gute \"Reservebl\u00f6cke\" zu ersetzen.<\/p>\n\n\n\n

Schmutzige kleine Geheimnisse: Probleme mit dem Flash-Speicher<\/h3>\n\n\n\n

Die L\u00f6schung erfolgt nur blockweise<\/h4>\n\n\n\n

Daten k\u00f6nnen nur Block f\u00fcr Block gel\u00f6scht werden. Das L\u00f6schen belastet die Speicherzellen und verk\u00fcrzt ihre Lebensdauer - es entstehen neue fehlerhafte Bl\u00f6cke.<\/p>\n\n\n\n

Defekte Bl\u00f6cke aus der Fabrik<\/h4>\n\n\n\n

Flash-Speicher werden bereits mit defekten Bl\u00f6cken ausgeliefert. Im Laufe des Betriebes kommen weitere defekte Bl\u00f6cke (Bad Blocks) hinzu. Der Controller versucht daher, durch Wear-Leveling m\u00f6glichst gleichm\u00e4\u00dfig verteilte Bl\u00f6cke zu schreiben \/ zu l\u00f6schen.<\/p>\n\n\n\n

MLC und TLC besonders empfindlich<\/h4>\n\n\n\n

Speicherzellen mit mehreren Ebenen (MLCs) reduzieren die Anzahl der L\u00f6schzyklen und damit die langfristige Zuverl\u00e4ssigkeit.<\/p>\n\n\n\n

Lesen st\u00f6ren<\/h4>\n\n\n\n

Ein von mir noch nicht erw\u00e4hntes, aber besonders perfides Ph\u00e4nomen ist Lesen st\u00f6ren<\/strong>. Selbst wenn nur von der Karte gelesen wird, kann dies - allein durch das Lesen - dazu f\u00fchren, dass benachbarte Speicherzellen im selben Block ihre Programmierung \u00e4ndern. Die Wahrscheinlichkeit, dass dies geschieht, steigt nach einigen 100.000 Lesevorg\u00e4ngen stark an.<\/p>\n\n\n\n

Um Read Disturb zu vermeiden, protokolliert der Controller daher die Anzahl der Zugriffe auf einen Block, um ihn bei \u00dcberschreiten eines Schwellenwertes in einem St\u00fcck an eine neue Stelle zu kopieren und den urspr\u00fcnglichen Block zu l\u00f6schen. Danach kann der Block wiederverwendet werden.<\/p>\n\n\n\n

All dies sind Dinge, die ein Controller kompensieren muss, um uns vorzugaukeln, dass es sich um eine \"perfekte Speicherkarte\" handelt, w\u00e4hrend sie im Inneren alles andere als perfekt aussieht!<\/p>\n\n\n\n

Nicht zuletzt k\u00f6nnen mit R\u00f6ntgenstrahlen geschriebene Bits ungewollt gel\u00f6scht werden. Hier kann nur ein r\u00f6ntgensicheres Design der Karte sicherstellen, dass die Daten unversehrt bleiben.<\/p>\n\n\n\n

Hersteller & Auswahl einer guten Karte<\/h2>\n\n\n\n

Sowohl der Mikrocontroller und der Flash-Baustein als auch die fertige microSD-Karte k\u00f6nnen von verschiedenen Herstellern stammen - die Panasonic-SD-Karte auf dem Beispielfoto hat einen Samsung-Flash. Der Controller wurde in Japan hergestellt.<\/p>\n\n\n\n

Es gibt vier Hersteller, die NAND-Flash-Ger\u00e4te produzieren:<\/p>\n\n\n\n