AN2109de Power Failure Testing - Application Note - Swissbit
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Application Note
AN2109de
Power Failure Testing
© Swissbit AG 2022
cb Creative-Commons-Lizenz1
1 DiesesWerk steht unter der Creative-Commons-Lizenz „Namensnennung 4.0 International“. Um eine Kopie dieser
Lizenz zu sehen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/Inhaltsverzeichnis auch auf PLP-Medien übertragbar, um die ver-
sprochenen Eigenschaften zu überprüfen.
1 Einleitung 2
2 Gefahren bei plötzlichem Stromausfall 2
2 Gefahren bei plötzlichem
3 Stromausfälle testen 3 Stromausfall
3.1 USB . . . . . . . . . . . . . . . 4
3.2 CompactFlash . . . . . . . . . . 4 Ein plötzlicher Stromausfall kann bei Flash-
3.3 SD-Karten . . . . . . . . . . . . 5 Medien zu verschiedenen Fehlern und Proble-
3.4 eMMC . . . . . . . . . . . . . . 5 men führen, die im schlimmsten Fall einen
3.5 SATA und CFast . . . . . . . . . 5 Totalausfall zur Folge haben. Die Ursache liegt
3.6 NVMe und CFexpress . . . . . . 5 in der Technologie begründet: Der gesamte
Flash ist in sogenannte Blöcke aufgeteilt. Diese
4 Test-Hardware 6 Blöcke bestehen wiederum aus Pages. Wäh-
rend sich nur ganze Pages in einem Vorgang
5 Zusammenfassung 7
programmieren lassen, kann das Löschen nur
für ganze Blöcke erfolgen. Dadurch ergibt sich,
dass SSDs im Gegensatz zu HDDs keine feste
1 Einleitung Zuordnung zwischen den logischen Adressen
(die der Host sieht) und den physikalischen
NAND-Flash ist eine Technologie, die gegen- Flash-Adressen haben. Zudem ist die Anzahl
über Festplatten eine deutlich höhere Daten- der Programmier- und Löschzyklen beschränkt,
rate ermöglicht. Insbesondere profitieren hier weshalb das Wear-Leveling für eine gleichmä-
zufällige Lese- und Schreibzugriffe. Im Falle ei- ßige Abnutzung der Blöcke sorgt, was natürlich
nes plötzlichen Stromausfalls sind Festplatten nur möglich ist, wenn die Adresszuordnung
aber in der Lage, den begonnenen Schreib- nicht statisch ist.
vorgang sauber abzuschließen, indem sie die Da nur ganze Pages programmiert werden
Rotationsenergie des Plattenstapels zurückge- können, die je nach Flash eine Größe von bis
winnen und damit für einen kurzen Moment zu 64 KiB haben, und diese Größe noch mit der
die Elektronik versorgen können. Bei SSDs kann Anzahl der parallel geschalteten Flashes multi-
man sich mit großen Kondensatoren behel- pliziert werden muss, wird mit jedem Schreib-
fen, um noch für ein paar hundert Millisekun- zugriff bis zu 1 MiB an Flashzellen programmiert
den die Versorgungsspannung zu stützen, bis – selbst wenn das Betriebssystem nur einen
die internen Puffer und der DRAM-Cache weg- Verzeichniseintrag aktualisiert.
geschrieben wurden. Nachteilig sind hier die Um den unnötigen Verschleiß zu reduzieren,
hohen Kosten für die Kondensatoren, für die puffert die SSD die Daten im Controller oder in
aufgrund des industriellen Temperaturberei- einem externen DRAM für einige Millisekunden.
ches und des verfügbaren Raumes nur Tantal- Kommen in dieser Zeit weitere Daten, so kön-
Elektrolytkondensatoren in Frage kommen. Da- nen diese mit demselben Schreibzugriff in den
her werden solche SSDs nur für Spezialanwen- Flash geschrieben werden. Der Flash wird im
dungen eingesetzt. Speichermedien, die sämt- Allgemeinen in Segmenten von je 4 KiB verwal-
liche Daten im Cache bei einem Stromausfall tet. In eine Page von 64 KiB passen somit 16
noch auf den Flash schreiben können, tragen einzelne Schreibzugriffe, wenn jeder Schreib-
den Zusatz PLP (Power Loss Protection). zugriff nicht mehr als 4 KiB umfasst. Die Ef-
Da PLP-Medien gegenüber einem Stromaus- fizienz steigt somit, wenn der Controller die
fall geschützt sind, werden im Folgenden die Schreibzugriffe verzögert und noch weitere Da-
Probleme und Testmöglichkeiten von Medien ten eintreffen, bevor der Programmiervorgang
ohne PLP betrachtet. Die Methoden sind aber im Flash gestartet wird. Der Nachteil ist natür-
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zu einem plötzlichen Stromausfall kommt und nicht mehr beschreibbar ist.
es sich nicht um ein PLP-Medium handelt.
Für die meisten Anwendungen kann dieses 4. Es kommt zum sogenannten Reordering.
Verhalten jedoch toleriert werden, da sich die Dabei gibt es anschließend keinen saube-
betroffenen Daten einige Millisekunden zuvor ren Übergang zwischen den neuen und
noch im RAM vom Host befunden haben, und den alten Daten beim Lesen der logischen
dort ebenso verloren gegangen wären, wenn Adressen in der identischen Reihenfolge
der Stromausfall eben diese paar Millisekun- wie zuvor beim Schreiben. Dies kann bei
den früher aufgetreten wäre. Datenbanken und Dateisystemen mit Jour-
Bei einem unerwarteten Stromausfall kann nal zu massivem Datenverlust führen.
es zu folgenden Problemen kommen, hier ent-
5. Es gehen statische Daten verloren, al-
sprechend ihrer Schwere aufsteigend aufge-
so Daten, die viele Schreibzugriffe zu-
zählt:
rückliegen oder aus einem vorangegan-
genen Power-Cycle stammen. Ein typi-
1. Benutzerdaten, die der Host an das Me-
sches Beispiel ist die Beschädigung von
dium übertragen hat und deren Empfang
Betriebssystem-Dateien, wodurch das Sys-
vom Medium bereits bestätigt wurde, ob-
tem plötzlich nicht mehr startet.
wohl sie noch nicht auf den Flash ge-
schrieben wurden, sind verloren. Dies ist, 6. Die Firmware des Mediums oder ih-
wie bereits geschildert, für viele Anwen- re Meta-Daten wurden beschädigt. Dies
dungsfälle unproblematisch. Empfindli- kann sich durch verschiedene Sympto-
che Systeme, bei denen keinerlei Daten me äußern: Massiver oder totaler Daten-
verloren gehen dürfen, verfügen über ei- verlust, Meldung fehlerhafter Lifetime-
ne unterbrechungsfreie Stromversorgung, Daten (S.M.A.R.T.) oder ein dauerhafter
die dann auch die Speichermedien mit Geschwindigkeitsverlust, der möglicher-
abdeckt. weise nicht bemerkt wird. Im schlimms-
ten Fall meldet sich das Medium beim Host
2. Es sind nicht nur die gerade übertrage-
nicht mehr an.
nen Daten verloren sondern auch noch
Daten, die mit den direkt vorangegan-
Swissbit ist seit vielen Jahren marktführend
genen Schreibzugriffen geschrieben wur-
bei der Härtung von Flash-Medien gegen plötz-
den, selbst wenn diese Schreibvorgänge
liche Stromausfälle. Entsprechend treten bei
bereits lange zurückliegen, aber seitdem
unseren Produkten nur die ersten beiden Fälle
kein Power-Cycle stattgefunden hat. Tech-
auf bzw. bei PLP-Medien keines der genannten
nologiebedingt kann dieser Effekt bei äl-
Probleme.
teren MLC- und TLC-Speichern in Floating-
Gate-Technologie auftreten.
3. Beim Stromausfall unvollständig geschrie- 3 Stromausfälle testen
bene Daten können von der Fehlerkor-
rektur typischerweise nicht wiederherge- Soll im Rahmen der Produktqualifizierung die
stellt werden, da der Programmiervorgang Robustheit gegen plötzliche Stromausfälle ge-
nicht zu Ende geführt wurde. Das Versagen testet werden, so kann der provozierte Ausfall
der Fehlerkorrektur führt in der Firmware für das ganze System oder nur für das Speicher-
fälschlicherweise zur Einschätzung, dass medium erfolgen. Es bietet sich an, mit dem
es sich um einen schlechten Flashblock Speichermedium allein zu beginnen, da hier
handelt, was zum Ersetzen des Blocks mit viel schnellere Zyklen möglich sind, um eine
einem Block aus dem Reservepool führt. Vorauswahl zu treffen. Hat das Speichermedi-
Geschieht dies zu oft, werden alle Reser- um erfolgreich die Vorgabe von z. B. 10.000 Zy-
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destens 1.000 Zyklen im Gesamtsystem absol- der Gesamtkapazität betragen.
viert. Diese dienen dazu, mögliche Kompati-
bilitätsprobleme wie Fehler im BIOS zu finden.
Gerade bei extremen Testbedingungen kann 3.1 USB
es beim nächsten Einschalten zu einer verlän-
Bei USB-Geräten ist das Testen sehr einfach. Es
gerten Diagnosephase des Mediums kommen,
muss lediglich die +5 Volt Versorgungsleitung
in der die Datenkonsistenz wiederhergestellt
aufgetrennt und mit einem Schalter versehen
wird. Manche BIOS-Versionen haben jedoch
werden. Zwar existieren auch USB-Hubs, die
mit der Ablösung von HDDs durch SSDs in den
schaltbare Ausgänge besitzen, allerdings sind
letzten Jahren die maximale Wartezeit entge-
diese schwer zu erhalten. Häufig ist es nur
gen der Empfehlung im SATA/ATAPI-Standard
möglich, das Endgerät am Bus abzumelden;
stark reduziert, was nun bei neueren SSDs mit
die Stromversorgung bleibt jedoch bestehen.
TLC oder QLC und deren Komplexität in der in-
Wird die +5 Volt Leitung unterbrochen, wird
ternen Verwaltung zu einer Zeitüberschreitung
das Endgerät vom Host abgemeldet. Sobald
führen kann, da in einem ungünstigen Fall
die Versorgung wiederhergestellt ist, wird das
die Startzeit wieder im Bereich von Festplatten
Gerät erkannt und vom Betriebssystem initia-
liegen kann.
lisiert.
Wie oben beschrieben, sollte das Flash-
Medium durch ein plötzliches Abschalten kei-
nen Schaden nehmen. Eine gute Firmware 3.2 CompactFlash
muss in der Lage sein, permanente Fehler oder
Bei allen Schnittstellen, die nicht mit diffe-
erhöhten Verschleiß zu verhindern. Allerdings
renziellen Signalen arbeiten, besteht die Ge-
gilt dies nur, solange sich die Anzahl und die
fahr, das Speichermedium über die Datenlei-
Geschwindigkeit, mit der die Zyklen erfolgen,
tungen weiter mit Strom zu versorgen, selbst
noch in einem realistischen Rahmen bewe-
wenn die eigentliche Versorgung unterbrochen
gen. Bei Qualifikationstests werden jedoch oft
wurde. Der Strom fließt über die Datenleitun-
viele Jahre Feldeinsatz in wenigen Tagen simu-
gen zum Speichermedium und über die ESD-
liert. Kommt es dabei zu einer sehr schnellen
Schutzdioden zur Verteilung der Spannungs-
Abfolge von extrem vielen Zyklen, in denen
versorgung. Abbildung 1 zeigt rot gestrichelt
zwar ein Datenvolumen größer Null aber klei-
den Stromfluss nach Auftrennung der positi-
ner ein paar weniger Megabyte geschrieben
ven Versorgungsspannung.
wird, kann es – je nach Größe des Speicherme-
diums – nach wenigen zehntausend Zyklen zu SSD
einem Ausfall des Speichermediums kommen. Vdd
Das Problem tritt hauptsächlich auf, wenn die
Zykluszeit nur einige Sekunden beträgt. Der
Hintergrund ist, dass bei jedem Zyklus ein neu- MCU
Host Flash
er Block beschrieben wird, aber keiner dieser DATA core
Blöcke jemals vollständig gefüllt wird. Wird
ein Block extrem oft und schnell nur teilwei- GND
se programmiert, kann dies zu unzureichen-
den Löschvorgängen führen, infolge derer die
erneute Programmierung eine immer weiter Abbildung 1: Stromfluss über ESD-Dioden
steigende Bitfehlerrate aufweist, bis es zu Da-
tenverlust kommt. Dieses Problem lässt sich Die resultierende Versorgungsspannung im
vermeiden, indem alle 3.000 Zyklen das Me- Speichermedium ist dann in der Regel zu ge-
dium einmal komplett vollgeschrieben wird. ring für den normalen Betrieb. Der Control-
Alternativ sollte die während eines Zyklus ge- ler erkennt die niedrige Versorgungsspannung
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Switzerland sales@swissbit.com Page 4 of 10und pausiert alle weiteren Operationen. Kehrt USB-Kabel wird die positive Spannungsversor-
die Versorgungsspannung auf Nominalniveau gung aufgetrennt.
zurück, fährt der Controller mit seinen Ope-
rationen fort. Da die internen Zustände des
Controllers dabei nicht verloren gehen, ist dies
3.5 SATA und CFast
kein echter Stromausfall. CFast nutzt ebenfalls das SATA-Interface. Eben-
Es wäre sehr aufwendig, eine Testumgebung so wie USB ist SATA hot-plug-fähig und ver-
aufzubauen, die bei CompactFlash sämtliche wendet differentielle Signalübertragung. Die
Daten- und Steuerleitungen trennt. Daher bie- Signale sind gleichspannungsfrei, da sowohl
tet es sich an, die Schnittstelle zum Host zu beim Host als auch im Speichermedium Seri-
ändern. Es existieren zwei Möglichkeiten: Ent- enkondensatoren in den Leitungen sitzen. So-
weder wird ein CF-Card-Reader verwendet, mit genügt es hier, nur die positive Versor-
der per USB angeschlossen wird. Dann ent- gungsspannung zu schalten. Den verschiede-
spricht das Vorgehen dem mit einem USB- nen SATA-Formfaktoren bietet der Host meist
Speichermedium. Oder es kommt eine IDE- zwei Spannungen. Welche davon geschaltet
SATA-Bridge zum Einsatz, und das CF-Medium werden muss, lässt sich dem Datenblatt ent-
wird wie ein SATA-Medium verwendet. Hier ist nehmen. Üblicherweise ist es die kleinere
darauf zu achten, dass die Bridge zusammen Spannung. Es gibt auch Medien, die mit zwei
mit der CF-Karte von der Spannungsversorgung Spannungen versorgt werden können. In ei-
getrennt wird, da IDE im Gegensatz zu SATA nem solchen Fall wird dann eine Leitung dau-
nicht hot-plug-fähig ist. erhaft durchtrennt.
Es bietet sich an, für alle kleinen Formfak-
toren einen Adapter auf 2,5” zu verwenden.
3.3 SD-Karten Bei dem 12-poligen Stecker ist dann die rote
5 Volt Leitung zu schalten und zur Sicherheit
Bei SD-Karten tritt das gleiche Problem wie bei
die gelbe 12 Volt Leitung zu trennen.
CF-Karten auf. Die Daten- und Steuerleitun-
Sollte das Medium nicht erkannt werden,
gen sind mit Pull-Up-Widerständen versehen,
muss im BIOS möglicherweise die Hot-Plug-
über die ausreichend Strom fließen kann, um
Option für SATA aktiviert werden.
den Controller zu versorgen, wenn die positi-
ve Spannungsversorgung getrennt wird. Da-
her ist es wichtig, bereits vor den Pull-Up- 3.6 NVMe und CFexpress
Widerständen zu trennen. Alternativ können
auch hier SD-Card-Reader verwendet und wie- Bei Speichermedien mit PCIe-Schnittstelle ist
der wie bei USB-Geräten verfahren werden. das Testen etwas aufwändiger. Dies liegt an
den hohen Übertragungsraten, die das räumli-
che Absetzen des Speichermediums zum Auf-
3.4 eMMC trennen der Spannungsversorgung schwierig
machen. Zudem haben teilweise die Hosts oder
Das Interface von eMMC und SD ist weitestge- die Betriebssysteme noch Fehler in der Imple-
hend identisch. Elektrisch sind sie vollstän- mentierung der Hot-Swap-Funktion.
dig kompatibel. Entsprechend besteht auch Zum Absetzen des Speichermediums exis-
hier die Gefahr der Stromversorgung über die tieren fertige Lösungen, die mit einer hoch-
Pull-Up-Widerstände. Soll die Robustheit einer wertigen Kabelverbindung den entfernten An-
eMMC nicht erst im fertigen System überprüft schluss von m.2 oder PCIe-Karten erlauben.
werden, bieten sich hier Adapter von eMMC Der Vorteil ist, dass hiermit keine Geschwin-
auf SD an. Bei diesen können die eMMC ent- digkeitseinbußen einhergehen. Allerdings ist
weder aufgelötet oder in einen Klemmsockel diese Lösung für das Testen von Stromausfällen
gelegt werden. Der Adapter wird dann mittels nicht zu empfehlen, da der Aufwand zum Ein-
SD-Card-Reader per USB verbunden, und im richten einer zuverlässigen Testumgebung sehr
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fähig. Das bedeutet, dass ein Speichermedium, Kernelement ist ein Atmel-Mikrocontroller
welches beim Systemstart angeschlossen war mit USB-Anschluss. In diesem Beispiel mit ei-
und für das somit die nötigen Systemressour- nem Atmel-ATmega32U4, verbaut auf einem
cen reserviert wurden, zu einem späteren Zeit- Arduino-kompatiblen Board mit der Bezeich-
punkt entfernt und auch wieder angeschlossen nung „ProMicro“. Dieses Board kann mit der
werden kann. Was ist der Theorie funktionieren Arduino IDE programmiert werden, wenn als
soll, zeigt aber in der Praxis noch eine Reihe verwendetes Board „Leonardo“ ausgewählt
von Problemen. So hängt es vom verwende- wird. Prinzipiell kann jedes Arduino-Board
ten Betriebssystem, dem Host-Chipsatz, dem verwendet werden, das über eine echte USB-
BIOS und sogar vom verwendeten PCIe-Slot auf Schnittstelle verfügt, so z. B. der Arduino Uno,
dem Mainboard ab, ob überhaupt und wenn ja Arduino Nano oder Arduino Micro. Gegebenen-
wie oft das Speichermedium nach einem Hot- falls muss dann die Initialisierung der USB-
Swap wieder erkannt wird. Unsere Erfahrung Schnittstelle modifiziert werden. Varianten,
ist, dass die Kombination aus Intel-Chipsätzen, die die USB-Schnittstelle lediglich in Software
Linux-Betriebssystem und Server-Mainboards emulieren, machen häufig Probleme wie z. B.
am besten funktioniert. Aber auch damit kann Boards mit einem ATtiny.
es nach ein paar tausend Zyklen dazu kommen, Abbildung 2 zeigt den Schaltplan. Das Board
dass das Speichermedium nicht mehr erkannt wird per USB mit dem Host verbunden, von
wird und das ganze System ein Neustart benö- diesem mit Strom versorgt und gesteuert.
tigt. Der Mikrocontroller empfängt die Steuerbe-
Es bietet sich daher an, für NVMe ebenfalls fehle vom Host und schaltet entsprechend Pin
USB-Bridges zu verwenden. Allerdings arbei- 17 (intern „A0“) auf 5 Volt oder 0 Volt. Der Vor-
ten auch diese nicht perfekt. So trat auch im widerstand R1 begrenzt den Basisstrom von
Swissbit-Labor schon mehrmals der Fall auf, Q1. Der Widerstand R3 sperrt den P-Kanal-
dass alle paar tausend Zyklen das Speicherme- MOSFET Q2 bis Q1 leitet. R2 dient lediglich da-
dium nicht erkannt wurde, während es beim zu, Q1 zuverlässig zu sperren, solange die USB-
nächsten Zyklus wieder problemlos erkannt Verbindung zum Mikrocontroller noch nicht
wurde ohne dass ein Neustart des Host erfor- hergestellt bzw. der Port A0 noch nicht in-
derlich war. Dieses Verhalten müsste dann le- itialisiert ist. Für Q1 kann ein Standard-NPN-
diglich in der Testsoftware berücksichtigt wer- Transistor verwendet werden. Für Q2 wur-
den. de IRLML6402 gewählt, da dieser Typ mit
Einzig die Stromversorgung per USB vom Host VGS(th),max = −1, 2V eine Versorgungsspannung
kann bei dieser Lösung ein Problem darstellen, von 3,3 V sicher schaltet.
da das Speichermedium mehr (Spitzen-)Strom Die positive Spannungsversorgung der SSD
ziehen kann, als der Host bereitstellt. Um die- wird aufgetrennt und entsprechend dem
ses Problem zu umgehen, kann die +5 Volt Schaltplan an J1 angeschlossen. Hängen die
Leitung aus dem Netzteil direkt mit der USB- SSD und der Mikrocontroller an verschiedenen
Bridge verbunden bzw. geschaltet werden. Hosts, so muss ein gemeinsames Massepotenti-
al hergestellt werden, damit Q2 schalten kann.
Unter Linux erfolgt das Schalten mit folgen-
4 Test-Hardware den Kommandos:
echo ’ 1 ’ > / dev / ttyACM0
Fertige Hardware zum Test von Stromausfäl- echo ’ 0 ’ > / dev / ttyACM0
len ist kaum verfügbar. Es existieren per USB
steuerbare Relais, die aber meist über kompli- Eine ’1’ wird die Stromversorgung einschal-
zierte und veraltete APIs verfügen, was die Ein- ten, eine ’0’ wird sie ausschalten. Zuvor muss
bindung in aktuelle Betriebssysteme schwierig jedoch noch mit der Arduino-IDE das Pro-
macht. Daher wird im Folgenden ein einfacher gramm in den Mikrocontroller geschrieben
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1 USB 24 J1
TX RAW 1
2 23
RX GND 2
3 22 R3
GND RST
10k
2
4 21
GND VCC
5 20 GND 1 Q2
SDA A3
6 19 IRLML6402 SSD
SCL A2
1
3
7 18
D4 A1
8 17 Q1
D5 A0
9 16 2 BC547C
D6 SCLK R1 GND
3
10 15 R2
D7 MISO 10k
11 14 10k
D8 MOSI
12 13
D9 D10
U1
ProMicro GND
Abbildung 2: Schaltplan
werden. Das Programm ist sehr einfach gehal- sollte aber nur von einer Elektrofachkraft er-
ten: folgen.
void setup ( ) {
pinMode ( A0 , OUTPUT ) ;
d i g i t a l W r i t e ( A0 , f a l s e ) ; 5 Zusammenfassung
S e r i a l U S B . begin ( ) ;
} Die vorgestellten Methoden und die Schaltung
stellen eine einfache Lösung zur Implemen-
void loop ( ) { tierung von Ausfalltests der Spannungsversor-
i f ( SerialUSB . available ( ) ) { gung dar. Mit ihnen lassen sich Ausfälle wäh-
char i n = S e r i a l U S B . read ( ) ; rend der Schreib- und Lesezugriffe der Zielap-
i f ( i n == ’ 0 ’ ) { plikation zeitlich gut steuern, um eine breite
d i g i t a l W r i t e ( A0 , f a l s e ) ; Abdeckung während verschiedener Betriebszu-
} e l s e i f ( i n == ’ 1 ’ ) { stände zu erreichen. Die Robustheit und somit
d i g i t a l W r i t e ( A0 , t r u e ) ; die Eignung eines Mediums kann für den jewei-
} ligen Anwendungsfall überprüft werden, um
} nur Hersteller für das Endprodukt freizugeben,
} bei denen kein unkalkulierbares Ausfallrisiko
im Feld besteht.
Zu Beginn wird der Port A0 als Ausgang defi-
niert und auf 0 Volt geschaltet. Danach wird die
USB-Schnittstelle initialisiert. Anschließend
wartet der Mikrocontroller auf den Empfang
eines Zeichens über USB. Wird eine Null emp-
fangen, wird der Ausgang auf 0 Volt geschaltet,
wodurch Q1 und Q2 sperren und die SSD von
der Versorgungsspannung getrennt wird. Bei
einer Eins wird der Ausgang auf 5 Volt geschal-
tet, Q1 und Q2 leiten, die SSD startet. Der fertige
Aufbau ist in Abbildung 3 gezeigt.
Auf einen konkreten Bauvorschlag für eine
Erweiterung zum Schalten der Netzspannung
des Hosts wird hier verzichtet. Dies ist mit ei-
nem geeigneten Relais einfach durchzuführen,
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