Новинки - 2012 г. Для авторов Как пройти аттестацию Обратная связь Рекламодателям

Лекции и конспекты уроков Аппаратное обеспечение ПК Флэш-диск (USB Flash Drive)

USB Flash Drive («флэшка») - тип внешнего носителя информации для компьютера. Flash (англ.) - быстро промелькнуть; осенить, прийти в голову.
По функциональному назначению флэш-диски ничем не отличаются от всех остальных компьютерных дисков: это устройства для долговременного энергонезависимого хранения информации с возможностью многократной перезаписи. Самое главное их отличие от тривиальных винчестеров и флоппи-дисков заключается в отсутствии каких-либо подвижных механических деталей конструкции. Для хранения информации во флэш-дисках используются микросхемы памяти, выполненные по технологии Flash, которую еще в начале 80-х годов разработала фирма Intel. В сущности эти микросхемы являются обычными электрически стираемыми ППЗУ, однако имеют три существенные особенности. Во-первых, их можно стирать и перезаписывать миллион раз, а то и больше - невероятная цифра для ЭСППЗУ, допускавших в то время в лучшем случае 1000 перезаписей. Во-вторых, емкость этих микросхем очень быстро достигла объема 1 Мбайт при весьма малых габаритах. И в-третьих, время хранения записанной в такой микросхеме информации практически неограниченно. Итак, с точки зрения инженера флэш-диск представляет собой компактное электронное устройство на основе микросхем памяти, которое можно подключить к компьютеру вместо накопителя жесткого диска. Нужно только точно знать, для чего это нужно.

Прогресс в области производства традиционных дисков настолько велик, что кажется, нет никакой необходимости создавать какие-либо аналогичные изделия на основе микросхем. И в самом деле, в офисном компьютере применение внутреннего флэш-диска оправдать пока невозможно. Однако стоит бегло сравнить эти устройства, и даже очень небогатое воображение подскажет тысячи возможностей применения, где альтернативы флэш-дискам пока не существует. Чем же они так хороши? Во-первых, в отличие от любого жесткого диска флэш-диск практически невосприимчив к вибрациям. Во вторых, устойчивость к ударам в 1000 g является нормой для этих устройств. И наконец, в третьих, диапазон рабочих температур флэш-дисков составляет от 40°С до +85°С, что является абсолютно недостижимым для традиционных механических дисков. Они все-таки вертятся, а на морозе это не так-то просто. Кроме того, самые маленькие флэш-диски, например DiskOnChip 2000 фирмы M-Systems, имеют размер микросхемы в корпусе DIP32 - и это при емкости от 2 до 72 Мб! К сожалению, все остальные свойства флэш-дисков пока еще несколько отстают от возможностей их механических собратьев, но и перечисленных преимуществ вполне достаточно для того, чтобы сделать правильный выбор устройства памяти для работы в жестких условиях эксплуатации. В мобильных приложениях, цифровых камерах, промышленных, встраиваемых и блокнотных компьютерах, радиотелефонах, в авиации, космосе и тысячах других областей работают флэш-диски.

Проще всего на этот вопрос ответить одним словом: любыми. И это действительно так. В настоящее время флэш-диски выпускаются с интерфейсами ISA, PC/104, PCMCIA, СompactFlash, IDE, SCSI, в корпусе микросхем DIP32 с контактами, как у обычных микросхем ПЗУ, и в виде специализированных комплектов “контроллер + флэш-память” для распайки на платы. В зависимости от емкости и функционального назначения диски имеют различное конструктивное исполнение. Флэш-диски с интерфейсами ISA и PC/104 производятся в виде модулей на основе печатных плат (см. рис. 1) и предназначены для непосредственной установки в соответствующие разъемы компьютеров.

Эти устройства фиксируются внутри изделия и имеют емкость до 32 Мб. На их основе обычно реализуются системные диски для компьютеров с повышенными требованиями к надежности и скорости начальной загрузки. Если на таком диске запретить запись, то ни один злоумышленник, ни один сбой в программе не разрушит записанную на нем информацию. Диски, выполненные в конструктиве PCMCIA (рис. 2)

В соответствии со своими задачами они имеют специальную конструкцию в виде компактной карточки, напоминающей кредитную или телефонную. Стандарт допускает три возможные толщины карточек PCMCIA - 2,5; 5 и 10 мм. Соответственно эти карточки называются PCMCIA Card Type I, II и III. Одной из самых главных функциональных особенностей этих устройств является возможность их установки в приемный слот в “горячем” режиме без выключения питания. Для этого разъем приемного слота имеет специальную конструкцию, обеспечивающую строгую очередность соединения контактов земли, питания и логических сигналов. Сегодня для карточек Type III достигнута емкость 300 Мб. Карточки серии Compact Flash являются логическим продолжением развития стандарта PCMCIA в сторону дальнейшего уменьшения габаритов. По размеру они примерно вдвое меньше PCMCIA Сard Type I, но сохраняют совместимость с ними на уровне интерфейса. С помощью специального переходника CompactFlash можно устанавливать в приемный слот для карточек PCMCIA. Максимальная емкость дисков в формате CompactFlash пока составляет 24 Мб. Диски с интерфейсом SCSI (рис. 4) имеют просто огромную для флэш-дисков емкость - до 1,7 Гб и применяются в таких экзотических областях, как бортовые накопители в авиации или тестирующее оборудование, перемещающееся внутри нефте- и газопроводов.

Это объясняется только экономической нецелесообразностью применения подобных дисков для “нормальных” задач: стоимость флэш-диска SCSI такого объема составляет сегодня около 25 000 долларов (!). Настоящий бум среди производителей одноплатных компьютеров вызвало появление новой версии флэш-диска DiskOnChip2000 в корпусе DIP32 (рис. 5) производства фирмы M-Systems. Гнезда для установки этих малюток появились в нынешнем году на платах многих производителей промышленных компьютеров.

При единичных закупках стоимость одного мегабайта на флэш-диске составляет от 10 до 24 долларов. Это объясняется в первую очередь ценой самих микросхем флэш-памяти. Для сравнения: стоимость мегабайта на обычном электромеханическом диске сегодня не превышает 20 центов. Но если уж речь зашла о стоимости, то неплохо проследить динамику изменения цен на флэш-диски. Еще год назад стоимость одного мегабайта на флэш-диске была не меньше 50 долларов, по прогнозам же производителей этих устройств, к 2000 г. эта цифра должна уменьшиться до 1 доллара. С другой стороны, есть такое понятие, как начальная стоимость накопителя. Эта величина остается почти неизменной с момента появления жестких дисков и составляет около 250 долларов. Десять лет назад за эту цену потребителю предлагался жесткий диск объемом 32 Мб, год назад еще можно было найти 500-мегабайтовые диски за такую стоимость, а сегодня за эти деньги почти невозможно найти НЖМД емкостью менее 1 Гб. В то же время начальная стоимость флэш-дисков гораздо ниже: она составляет сегодня 40 - 50 долларов. За 250 долларов можно приобрести флэш-диск относительно большой емкости - 16 Мб (или 32 Мб, если использовать программы уплотнения типа Stacker). При этом существует огромное количество приложений, нуждающихся в накопителях емкостью меньше 10 Мб, например кассовые аппараты, мобильные компьютерные устройства, станки с ЧПУ или аппараты для выдачи чеков на автомобильных стоянках. В подобных случаях применение флэш-дисков оправданно не только с точки зрения эксплуатационных свойств, но и экономически. А если рассматривать мобильные компьютеры, то здесь стоимость диска просто отступает на задний план, если оценить его энергопотребление: лучше заплатить большую цену, чем каждый час менять или перезаряжать батареи, да и само устройство более компактно. Таким образом, если вам требуется надежный накопитель небольшого объема, логично применить флэш-диск. Хотя с точки зрения высокоскоростной работы в нормальных условиях позиции традиционных жестких дисков еще долго не пошатнутся.

Давайте разберемся, что означает внушительная цифра 100 тысяч циклов записи, часто приводимая в технических описаниях флэш-дисков. Нередко можно услышать такое мнение: “Мое устройство каждую секунду записывает 1 Кб. Значит, через полтора часа работы мне придется покупать новый флэш-диск?”. Конечно же нет! Посмотрим, например, как работают флэш-диски компании M-Systems на основе микросхем флэш-памяти 28F008SA фирмы Intel. Эти микросхемы объемом 1 Мб имеют блочную структуру по 64 Кб. Физическая организация флэш-памяти подразумевает стирание блока, если мы хотим его переписать заново. Иными словами, если мы будем осуществлять последовательную запись в один блок по одному байту, то на 64 тыс. циклов записи нам потребуется один цикл стирания. Здесь стоит вспомнить, что большинство производителей микросхем флэш-памяти, в том числе и Intel, гарантируют не менее одного миллиона циклов стирания блока памяти микросхемы. При этом все производители флэш-дисков применяют различные программные либо аппаратные приемы, чтобы обеспечить равномерное распределение числа циклов стирания по всем блокам флэш-диска. В частности, файловая система TrueFFS, разработанная фирмой M-Systems, гарантирует 95%-ную утилизацию блоков флэш-диска. Иными словами, на диск объемом 1 Мб в течение срока его жизни может быть записано до 95 Гб.

Это зависит от типа флэш-диска, но в любом случае можно сказать: это не сложнее, чем установка обычного жесткого диска. Флэш-диски имитируют работу традиционного НЖМД на аппаратном или программном уровне. Устройства с интерфейсами IDE и SCSI с точки зрения операционной системы компьютера и способов обращения к ним ничем не отличаются от традиционных жестких дисков и не требуют какого-либо дополнительного программного обеспечения кроме того, что стандартно входит в данную ОС. Для флэш-дисков, выполненных в виде плат с разъемом ISA, необходим дополнительный драйвер, эмулирующий работу НЖМД. Но они поставляются с уже записанным необходимым ПО. Как правило, после установки такого диска в компьютер и включения питания в системе просто появляется дополнительный жесткий диск. Никаких операций форматирования или разбиения на разделы не нужно. Единственной проблемой может оказаться конфликт с другим устройством, работающим через то же самое окно в области расширенной памяти. В этом случае для устранения конфликта придется переставить перемычки начального адреса на плате флэш-диска или внести необходимые изменения в начальные установки компьютера. Все это хорошо описано в документации на каждый конкретный флэш-диск. При установке дисков в виде карточек PCMCIA в зависимости от типа карточки требуется установка в config.sys ссылки на соответствующий драйвер: atadrv.sys для карточек типа АТА или драйвер фирмы-изготовителя - в других случаях. Для установки в систему флэш-диска типа DiskOnChip2000 на плате процессора должно быть 32-контактное гнездо под микросхему ПЗУ в корпусе DIP32. На многих платах промышленных компьютеров такие гнезда есть. Установите в него DiskOnChip2000 и подайте питание - все необходимое ПО для DOS/Windows уже записано на диске.

Большинство моделей имеют индикатор чтения/записи в виде светодиода, вмонтированного в корпус, и микропереключатель запрета записи.

В комплект поставки устройства, как правило, входит:

1. само устройство.
2. кабель-удлинитель для подключения к порту USB (не обязательно нужен, но если доступ к задней стенке компьютера затруднен – может пригодиться)
3. компакт-диск с документацией и драйверами (тоже не обязательно присутствует, на ОС Windows 2000/XP|Vista драйвера к Usb флеш-дискам есть в комплекте ОС).

Этот вопрос задается практически всегда, когда разработчик микропроцессорного устройства, несовместимого с IBM PC, а точнее, несовместимого с DOS, узнает о существовании флэш-дисков серии DiskOnChip2000 или о специальных комплектах “контроллер и флэш-ПЗУ” для встраивания в компьютерные платы. Да, это возможно. Более того, есть даже специальные комплекты для разработки таких приложений и программное обеспечение в исходных текстах для быстрой разработки встроенного ПО. Например, для встраивания DiskOnChip2000 в несовместимые с DOS компьютеры, в том числе и на основе микроконтроллеров (например, 8051 или 80188), фирма M-Systems предлагает пакет Flite, включающий исходные тексты на языке Си для работы с флэш-памятью. Но в этой бочке меда есть ложка дегтя: стоимость такого пакета на 1000 лицензий превышает 20 000 долларов. Устанавливая эту цену, фирма руководствовалась, по всей вероятности, достаточно логичными соображениями. Во-первых, крупный производитель вполне способен пойти на такое капиталовложение. 20 долларов в стоимости крупносерийного продукта, производимого в тысячах экземпляров, за встроенный флэш-диск - вполне экономически оправданная сумма, особенно на фоне дорогостоящего труда западных программистов. Время разработки конечного продукта при этом ощутимо сокращается. Во-вторых, техническая поддержка нескольких крупных разработчиков значительно выгоднее, чем огромного числа “самодельщиков”, - если бы внутреннее устройство и система команд контроллера флэш-памяти распространялись открыто. В России, к сожалению, компьютерное оборудование с флэш-дисками такими тиражами пока не производится. Поэтому на время забудем о возможности простого встраивания флэш-дисков в “самопальную” аппаратуру. Исключение, пожалуй, составляют флэш-диски с интерфейсом IDE (рис. 6), схемотехника, функционирование которых широко известны.

В настоящее время за пальму первенства в производстве флэш-дисков борются две фирмы: SanDisk (США) и M-Systems (Израиль). Все остальные, как правило, только наклеивают свои логотипы на продукцию этих фирм. Поэтому если вы увидите флэш-карточку PCMCIA с надписью MAXTOR или Compaq - не верьте глазам своим, это наверняка M-Systems или SanDisk. Принципиальной разницы между продукцией этих фирм нет, хотя у M-Systems номенклатура производимых дисков несколько шире, в частности, в нее входят диски в формате карт с шиной ISA, интерфейсом SCSI и DiskOnChip 2000. Время от времени обе фирмы устраивают небольшие ценовые войны, что нам, конечным пользователям, только на руку: глядишь, и в самом деле в каждом компьютере займут свое место неприхотливые и недорогие флэш-диски.

Носители информации на основе микросхем флэш-памяти сейчас очень популярны. У многих есть компьютерные флэш-диски в виде брелка с USB-портом, а без карты памяти одного из многочисленных форматов нельзя представить цифровой фотоаппарат или карманный компьютер.

Активно оснащаются флэш-памятью мобильные телефоны, плееры и другие переносные устройства. В этой статье мы попытались обобщить типичные для флэшек неисправности, а также дать несколько полезных советов, которые помогут снизить риск их поломки.

По практичности флэшкам нет равных среди всех сменных носителей. Большой и постоянно растущий объем, высокое быстродействие и надежность хранения данных, компактность, низкое энергопотребление и, наконец, удобство подключения – вот секрет их популярности. Кроме того, эти высокотехнологичные изделия продаются по вполне доступным ценам, которые постоянно снижаются.

Однако ничего идеального в мире не бывает, за все надо платить. В данном случае платить приходится надежностью в эксплуатации.

• логические неисправности,
• механические поломки,
• электрические и тепловые повреждения,
• сбой контроллера,
• износ памяти.

Носитель физически исправен, но опознается как пустой или неформатированный, а ранее записанные данные не видны. В этом случае повреждена файловая система, точнее, ее служебные таблицы. Данные обычно остаются на месте, и их можно пытаться восстановить с помощью различных эвристических программ. Любая эвристика основана на некоторых допущениях, и применительно к флэш-носителям эти допущения не всегда верны. Программы могут в упор не видеть данные, и тогда требуется кропотливая ручная работа. Восстановление цифровых фотографий также зависит от формата данных (JPG, TIFF или RAW) и от прошивки конкретной ЦФК.

Основная причина неисправности – преждевременное извлечение устройства из разъема или внезапное отключение питания, когда операционная система не успевает обновить файловую систему носителя.

Профилактика: аккуратно завершайте работу с флэш-носителями. В компьютерах и ноутбуках используйте "безопасное извлечение устройства". В ЦФК и другой подобной технике следите за зарядом аккумулятора и выключайте питание не раньше, чем закончится запись на карту.

"Флэшки" нередко страдают от грубого обращения. Многие флэш-диски имеют непрочный корпус, плату из тонкого текстолита, слабое крепление разъема USB. Карты памяти бывают слабы на изгиб. Механические напряжения создают микротрещины и приводят к нарушению контактов. От ударов и падений страдает кварцевый резонатор. У большинства устройств негерметичный корпус, пропускающий воду.

Ремонт: восстановление контактов, замена деталей. Если треснул чип памяти, то данные потеряны, ремонт не оправдан. К счастью, так бывает редко.

Профилактика: бережно обращайтесь с устройствами, карты памяти храните в футлярах.

Выбирайте флэш-диски с прочным, не слишком тонким корпусом; чем больше металла, тем лучше.

Старайтесь не задевать флэш-диск, вставленный в порт USB: вместе с поломкой можно получить замыкание. Если ваш носитель побывал в воде, особенно морской, его лучше сразу отдать специалисту, недостаточная просушка может стать фатальной для данных.

Нестабильное электропитание, а также разряды статики – частая причина неисправности флэш-носителей. Многие модели имеют слабую защиту от перепадов напряжения, и случайные броски выводят их из строя.

Нередко к поломке флэш-дисков приводит устаревшая электропроводка: многие компьютеры до сих пор не заземлены.

На их корпусе может блуждать потенциал в десятки вольт, а статический заряд стекает куда придется. Все это при совпадении неблагоприятных условий приводит к выгоранию контроллера и элементов обвязки.

Еще одна причина неисправностей – «человеческий фактор». Неопытные сборщики компьютеров умудряются неправильно подключить шлейф USB-порта, идущий от передней панели, к разъему материнской платы. В результате при подключении устройство моментально сгорает.

Проблема нагрева для флэш-дисков не так актуальна, как для жестких дисков. Но и здесь кроется причина поломок.

Многие пластиковые корпуса не обеспечивают хорошего теплоотвода, и при активной работе нагруженные детали могут перегреться, выйти из строя и даже проплавить корпус.

Ремонт: замена неисправных деталей, если стоимость запчастей невысока.

Профилактика: обеспечьте компьютерам заземление и качественное питание. Прежде чем вставить флэш-диск в порт USB, коснитесь рукой системного блока. От статики и перегрева хорошо защищены флэш-диски в металлических корпусах. В свете проблем со сборкой, а также из-за меньших наводок надежнее использовать порты USB на материнской плате (для удобства доступа к задней панели поставьте удлинитель).

Контроллер стоит на всех флэш-дисках и многих картах памяти, в некоторых ситуациях (предположительно, сбои по питанию) его прошивка блокируется и не отвечает на запросы операционной системы. В этом случае устройство опознается как Generic Drive с нулевой емкостью, данные обычным путем не доступны. Их можно считать непосредственно с чипа памяти на специальном стенде.

Ремонт: восстановление прошивки контроллера с помощью технологических утилит.

Профилактика: защита от статики, контроль питания.

Носитель опознается, но читается с ошибками вследствие дефектов на физическом уровне. Флэш-память по своей природе выдерживает ограниченное число перезаписей, причем по мере роста емкости чипов заявленный ресурс снижается: от 1 млн циклов 3-5 лет назад до 100 тыс. в новых моделях.

Казалось бы, в любом случае порог высок и опасаться нечего, но вспомните про файловую систему. Ряд ее служебных полей переписывается при каждом обновлении любого из файлов, именно эти ячейки первыми выходят из строя.

Для борьбы с этим явлением применяется технология "выравнивания износа" (wear leveling): часто изменяемые данные перемещаются по адресному пространству флэш-памяти.

Ремонт: низкоуровневое форматирование с сокрытием дефектов.

Профилактика: износ ограничивает срок службы флэш-носителей. При постоянном обновлении данных сбои могут начаться уже через 1-2 года. Экземпляры "со стажем" выводите из эксплуатации или используйте для хранения менее важных данных.

Несмотря на описанные проблемы, флэшки – удобные и надежные средства хранения и переноса информации. Несложные меры профилактики помогут вам продлить жизнь своим устройствам и избежать большей части неприятностей. А если сбой все же случился – обращайтесь в специализированные сервис-центры. Ремонтные технологии, лишь частично раскрытые здесь, позволяют добиваться успеха в 90% случаев.

1. Газета.РУ
   
2. Андрей Кузнецов. Что такое флэш-диск? http://www.pcweek.ru
   

Добавить комментарий