Информация на флешке хранится в ячейках памяти, каждая из которых может запомнить один бит: 0 или 1. Флешка состоит из миллиардов таких ячеек памяти.
Ячейка памяти
Одна ячейка памяти - один бит. Одна буква в тексте - 8 бит или 1 байт. Этот текст занимает примерно 6 тысяч байт, то есть, чтобы сохранить его на флешку, потребуется 48 тысяч ячеек памяти. Для нового эпизода Доктора Хауса в HD потребуется примерно 11 миллиардов ячеек памяти. Трудно представить себе, что они все легко поместятся на площади в 1 квадратный сантиметр.
Ячейка памяти - это транзистор. С двух сторон у него находится два полупроводника n-типа, у которых много свободных электронов, которые могут свободно двигаться, то есть переносить ток.
Между этими полупроводниками находится полупроводник p-типа, у которого, наоборот, недостаток электронов. Ток там переносится, соответственно, дырками от недостающих электронов.
Ток не может проходить между n-полупроводниками, потому что между ними находится p-проводник, а у них разный тип проводимости.
Но над p-полупроводником находится управляющий затвор. Это такой электрод, на который можно подать положительное или отрицательное напряжение. Если на него подать положительное напряжение, то он отодвинет дырки в p-полупроводнике и притянет электроны, поскольку противоположные заряды притягиваются.
Плавающий затвор окружен диэлектриком, чтобы электрончики с него не сбежали. Теоретически, ячейка памяти может хранить свое значение бесконечно, ну или по крайней мере десятки лет.
Получится так называемый n-переход, по которому может пройти электричество с одного полупроводника n-типа на другой и транзистор сможет проводить ток.
Между управляющим затвором и p-полупроводником есть металлическая пластинка - это плавающий затвор. Если ее зарядить отрицательно, то она будет мешать работе управляющего затвора, и транзистор не будет проводить ток вне зависимости от того, есть на управляющем затворе положительное напряжение или нет.
Как читаются данные
Чтобы проверить, что записано в ячейке памяти, ноль или единица, на управляющий затвор подают напряжение и проверяют, может ли идти по транзистору ток:
- - Если на управляющем затворе есть избыток электронов, то ток идти не будет, значит это единица.
- - Если на управляющеи затворе избытка электронов нет, то ток пойдет, значит это ноль.
Как записываются
Чтобы записать единичку в ячейку памяти, надо на плавающий затвор закинуть электронов. Но это не так-то просто сделать, потому что плавающий затвор окружен диэлектриком, который, как известно, не проводит ток.
Туннельный эффект - явление, возможное только в квантовой механике, когда, благодаря своим волновым свойствам, электрон перепрыгивает с одного места на другое. То есть он оказывается по ту сторону диэлектрика, не проходя через него. В классической механике такое невозможно.
Для того, чтобы поместить электроны в плавающий затвор, на управляющий затвор подают положительное напряжение - гораздо выше, чем при чтении. Часть проходящих электронов запрыгивают на плавающий затвор благодаря туннельному эффекту.
Стирание данных происходит точно так же, только вместо положительного напряжение на управляющий затвор подается отрицательное, и электроны спрыгивают с плавающего затвора.
Мы расскажем о принципе работы флеш-накопителей. Тема приобретает все большую актуальность: «флешки» лежат в кармане у каждого, в мобильных телефонах и планшетах внутренняя память работает по такому же принципу, и даже ультрапортативные лэптопы последних поколений отказываются от использования привычных жестких дисков в пользу SSD-накопителей. Они работают быстрее, потребляют меньше электроэнергии (что очень важно для ноутбуков), они бесшумны, не греются и устойчивы к ударам. Как же это работает?
Начнем с того, что флеш-память - это энергонезависимая и перезаписываемая память, основанная на особых свойствах полупроводников. Первый термин в ее описании значит тот простой факт, что для хранения информации ей не требуется доступ к электричеству. Для того чтобы на таких накопителях сохранялась информация, им не нужно электропитание, а для считывания флешке не нужно никаких движущихся систем. В HDD это вращающийся на большой скорости диск, шпиндель и головка. Это очень хорошо: флешку не так просто повредить, у нее, как правило, продолжительный срок службы, она быстро обменивается данными с компьютером. Такие накопители легки, просты и скоро обязательно будут дешевы. Пока они дороже жестких дисков и плохи тем, что если количество считываний с SSD-диска не ограничено, то количество циклов перезаписи все же не бесконечно. Как правило, одни и те же ячейки памяти можно переписывать до десяти тысяч раз.
Каждая ячейка флеш-памяти не содержит конденсаторов - проводников, занимающих много места и имеющих сложную структуру. Это всего лишь один транзистор особой архитектуры, который умеет хранить электроны, т.е. информацию.
Вдобавок ячейки флеш-памяти отлично масштабируются: их можно сделать невероятно миниатюрными, благодаря чему на небольшой по размерам носитель записывается много данных. При нынешнем уровне компьютеризации и развития технологий транзисторы можно делать чрезвычайно маленькими. Это значит лишь одно: флеш-память занимает чрезвычайно мало места. Скоро на обычной флешке мы сможем умещать терабайты информации.
Типичная карта памяти - это поле из столбцов и колонок, в области пересечения которых всегда находятся два транзистора. Они разделены специальным изолирующим слоем.
Как вы вероятно знаете, вся цифровая информация хранится в мегабайтах. Один мегабайт - это 1 024 килобайт. В одном килобайте 1024 байта. Один байт - это 8 бит.
Наши компьютеры понимают только бинарную (двоичную систему). То есть один бит информации - это либо ноль, либо единица.
Бит (англ. bi nary digit ; также игра слов: англ. bit — немного) (один двоичный разряд в двоичной системе счисления) — одна из самых известных единиц измерения информации.
Бит занимает одну ячейку флеш-памяти. Главный в этом механизме - это электрон. Когда вы включаете флешку в компьютер, по ней пробегает электричество, забегая во все ячейки. Каждая ячейка состоит изисточника и канала . Ток попадает из источника в канал, только если контроллер с помощью все того же электричества зарядит электрон, и, как по мостику, ток побежит по электрону дальше.
Если электричество пробежало, значит, в ячейке ноль, если не пробежало, значит, единица. Значение ячейки, то есть бита, зависит от того, есть ли там электрон или нет. Когда мы записываем информацию на флешку, миллионы контроллеров заряжают и разряжают миллионы электронов.
Все описанные процессы происходят на чипе памяти. Но типичная флешка состоит не только из него. У нее есть также разъем USB типа «папа». Еще одно устройство во флешке - контроллер, обеспечивающий взаимопонимание между накопителем и компьютером - для этого у него есть небольшой процессор и крохотное количество оперативной памяти. Последняя - это такой «буфер» для перекачки информации.
Представьте, что вы с друзьями разгружаете вагон с сахаром. Сам вагон - это чип памяти. Процессор - это старший в группе, который руководит процессом. А оперативная память на флеш-накопителе - это такое место, своеобразный отстойник, куда мешки скидываются непосредственно возле вагона - перед тем, как другой грузчик перенесет их на склад (компьютер).
На флешке есть еще осциллятор - контроллер, задающий частоту работы системы. Это, можно сказать, ваш наниматель, задача которого обеспечить, с одной стороны, максимальную скорость разгрузки вагона и безопасность для здоровья работающих - с другой. Светодиодный индикатор активности необходим уже непосредственно для пользователей: чтобы те знали, активен накопитель или нет. Есть еще на флешках переключатель, переводящий носитель в режим защиты от записи. Вот, собственно, и все.
На сегодняшний день флешки являются самыми популярными внешними носителями данных. В отличие от оптических и магнитных дисков (CD/DVD и винчестеры соответственно), флеш-накопители более компактны и устойчивы к механическим повреждениям. А за счет чего были достигнуты компактность и устойчивость? Давайте же разберемся!
Первое, что следует отметить — внутри flash-накопителя нет движущихся механических частей, которые могут пострадать от падений или сотрясений. Это достигается за счет конструкции — без защитного корпуса флешка представляет собой печатную плату, к которой припаян USB-разъем. Давайте рассмотрим её составляющие.
Основные компоненты
Составные части большинства флешек можно разделить на основные и дополнительные.
К основным относятся:
- чипы NAND-памяти;
- контроллер;
- кварцевый резонатор.
- USB-разъем
NAND-память
Накопитель работает благодаря NAND-памяти: полупроводниковым микросхемам. Чипы такой памяти, во-первых, весьма компактны, а во-вторых — очень ёмкие: если на первых порах флешки по объему проигрывали привычным на тот момент оптическим дискам, то сейчас превышают по ёмкости даже диски Blu-Ray. Такая память, ко всему прочему, еще и энергонезависимая, то есть для хранения информации ей не требуется источник питания, в отличие от микросхем оперативной памяти, созданных по похожей технологии.
Однако у НАНД-памяти есть один недостаток, в сравнении с другими типами запоминающих устройств. Дело в том, что срок службы этих чипов ограничен определенным количеством циклов перезаписи (шагов чтения/записи информации в ячейках). В среднем количество read-write cycles равно 30 000 (зависит от типа чипа памяти). Кажется, это невероятно много, но на самом деле это равно примерно 5 годам интенсивного использования. Впрочем, даже если ограничение будет достигнуто, флешкой можно будет продолжать пользоваться, но только для считывания данных. Кроме того, вследствие своей природы, NAND-память очень уязвима к перепадам электричества и электростатическим разрядам, так что держите её подальше от источников подобных опасностей.
Контроллер
Под номером 2 на рисунке в начале статьи находится крохотная микросхема — контроллер, инструмент связи между флеш-памятью и подключаемыми устройствами (ПК, телевизорами, автомагнитолами и пр.).
Контроллер (иначе называется микроконтроллер) представляет собой миниатюрный примитивный компьютер с собственным процессором и некоторым количеством RAM, используемыми для кэширования данных и служебных целей. Под процедурой обновления прошивки или BIOS подразумевается как раз обновление ПО микроконтроллера. Как показывает практика, наиболее частая поломка флешек — выход из строя контроллера.
Кварцевый резонатор
Данный компонент представляет собой крохотный кристалл кварца, который, как и в электронных часах, производит гармонические колебания определенной частоты. Во флеш-накопителях резонатор используется для связи между контроллером, NAND-памятью и дополнительными компонентами.
Эта часть флешки также подвержена риску повреждения, причем, в отличие от проблем с микроконтроллером, решить их самостоятельно практически невозможно. К счастью, в современных накопителях резонаторы выходят из строя относительно редко.
USB-коннектор
В подавляющем большинстве случаев в современных флешках установлен разъем USB 2.0 типа A, ориентированный на прием и передачу. В самых новых накопителях используется USB 3.0 типа А и типа C.
Дополнительные компоненты
Кроме упомянутых выше основных составляющих запоминающего flash-устройства, производители нередко снабжают их необязательными элементами, такими как: светодиод-индикатор, переключатель защиты от записи и некоторые специфические для определенных моделей особенности.
Светодиодный индикатор
Во многих flash-накопителях присутствует небольшой, но довольно яркий светодиод. Он предназначен для визуального отображения активности флешки (запись или считывание информации) или же просто является элементом дизайна.
Этот индикатор чаще всего не несет никакой функциональной нагрузки для самой флешки, и нужен, по сути, только для удобства пользователя или для красоты.
Переключатель защиты от записи
Этот элемент характерен скорее для SD-карт, хотя порой встречается и на запоминающих устройствах USB. Последние нередко используются в корпоративной среде как носители разнообразной информации, в том числе важной и конфиденциальной. Чтобы избежать инцидентов со случайным удалением таких данных, производителями флеш-накопителей в некоторых моделях применяется переключатель защиты: резистор, который при подключении в цепь питания запоминающего устройства не дает электрическому току добираться к ячейкам памяти.
При попытке записать или удалить информацию с накопителя, в котором включена защита, ОС выдаст такое вот сообщение.
Подобным образом реализована защита в так называемых USB-ключах: флешках, которые содержат в себе сертификаты безопасности, необходимые для корректной работы некоторого специфического ПО.
Этот элемент тоже может сломаться, в результате чего возникает досадная ситуация — девайс вроде работоспособен, но пользоваться им невозможно. У нас на сайте есть материал, который может помочь решить эту проблему.
Уникальные компоненты
К таковым можно отнести, например, наличие разъемов Lightning, microUSB или Type-C: флешки с наличием таковых предназначены для использования в том числе на смартфонах и планшетах.
В этой статье мы с Вами рассмотрим принцип работы и устройство USB-флешки, а также я расскажу об особенности USB-флэш-накопителя перед другими запоминающими устройствами. C появление USB-флэшки произошел некий переворот в ПЗУ устройствах и большое количество людей по всему миру оценило удобство транспортировки данных в компактном и емком флэш-накопителе, который к тому же устойчив к воздействиям окружающей среды.
Первым делом, я хотел бы дать определение флэш-накопителю, а уж потом рассказать о его особенности перед другими запоминающими устройствами.
USB-Flash Drive (флешка, флэшка) — устройство для накопления и хранения информации. Переданные устройству данные располагаются и хранятся во флэш-памяти. Для получения информации usb флешку необходимо подключить к телевизору (Smart), компьютеру, планшету или любому другому считывающему устройству.
К основным недостаткам USB флэш-накопителя можно отнести ограниченный цикл записи/стирания, но хранящуюся в устройстве можно считать бесконечное количество раз. Цикл перезаписи современными стандартами на сегодняшний день ограничен от 10000 и до 100000 раз. Если взять во внимание минимальный цикл перезаписи (10000) то может показаться, что для эксплуатации такое количество более чем достаточно. Но на самом деле это не так.
Представьте себе ситуации, когда вы интенсивно используете флэшку перезаписывая на ней данные по нескольку раз в день. Согласитесь, что при такой эксплуатации, такое количество циклов (10000) для обновления информации уже не кажется таким уж большим. Хотя, справедливости ради, стоит сказать, что для рядового пользователя флэш-накопитель с минимальным ограничением перезаписи прослужит немало времени.
К сожалению не все USB накопители отрабатывают свой положенный срок честно. Как правило, виной этому производители мало известных фирм и компании с неизвестным происхождением, которые не соблюдают технологических норм при создании постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). Очень часто наши китайские «друзья», которые любят делать подделки именитых брендов, не соблюдают технологию (не качественные детали) и создают дешевые накопительные устройства, которые раньше положенного времени выходят из строя.
На что нужно обратить внимание при выборе USB-флэш-накопителя.
- Производитель (компания).Чтобы свести к минимуму преждевременный выход из строя USB-флэш-накопителя, делайте свой выбор в пользу зарекомендовавших себя компаний, которые работаю на рынке не один год. Например, это могут быть такие компании как: Kingston, Transcend, Corsair, Apacer…
- Так же при выборе usb-флэш-накопителя обратите внимание на каком типе памяти она построена. Хорошо если в ней установлена флэш-память типа NAND, потому что именно этот тип памяти может выполнить около 100000 циклов записи/стирания информации.
В основе USB флэш-накопителя находиться типа NAND и небольшой микроконтроллер со встроенным ROM или RAM. Флэш-память (Flash Memory) относится к классу EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) — электрически стираемое перепрограммируемое запоминающее устройство ПЗУ или ЭСППЗУ.
Основное достоинство этого устройства в том, что оно энергонезависимо, а значит ему не нужно электричество для хранения данных. Стоит сказать, что основная особенность EEPROM в том, что хранящуюся информацию в устройстве (mini SD, MMC, SD, USB-флешка…) можно считать бесконечное количество раз, а вот количество записи к сожалению ограничено (мы уже с вами говорили о том ).
Как правило на упаковке указывают и то и другое. Но и не редки случай, когда указывают только число циклов или тип памяти.
- Тип ячеек памяти.В рядовых флэшках (USB-Flash-Drive) используют два типа ячеек памяти MLC и SLC. Как правило более дешевые модели USB флэш-накопителей комплектуют MLC (Multi-level cell — многоуровневые ячейки памяти)ячейками, которые могут выдержать около 10 тысяч циклов. Ну и как вы уже догадались SLC (Single-level cell — одноуровневые ячейки памяти) ячейками комплектуют более дорогие модели, которые выдерживают до 100000, а то и более циклов записи/стирания.
Принцип работы USB -флеш-накопителя и его компоненты.
Как я уже писал выше, что в основе USB-накопителя лежит флэш-память типа NAND или NOR. В свою очередь флэш-память содержит в себе кристалл кремния на котором размещены полевые транзисторы с плавающими и управляющими изолированными затворами. Стоит сказать, что полевые транзисторы имеют сток и исток. Так вот плавающий затвор транзистора способен удерживать заряд (электроны).
Во время записи данных на управляющий затвор подается положительное напряжение и некоторая часть электронов направляется (двигается) от стока к истоку, отклоняясь к плавающему затвору. Часть электронов преодолевает тонкий слой изолятора и проникают в плавающий затвор, где и остаются на продолжительный срок хранения. Время хранения информации измеряется годами, но так или иначе оно ограничено.
Устройство USB flash довольно компактны, мобильны и дают возможность подключиться к любому компьютеру, который имеет USB-разъем. На что только не идут производители чтобы угодить потенциальным покупателям совмещая USB накопитель со всевозможными брелками, украшениями, игрушками и авторучками…
Устройство USB Flash накопителя состоит из следующих электронных компонентов:
- Разъем USB.
- Микроконтроллер.
- Контрольные точки.
- Чип (микросхема) флэш-памяти.
- Кварцевый резонатор.
- Светодиод.
- Переключатель (защита от записи).
- Место для микросхемы памяти (дополнительное место).
Компоненты и симптомы не стабильной работы USB Flash накопителя.
- PCB — это многослойная печатная плата, которая служит основой для всех размещенных (распаянных) деталей электроники. Имеет следующие типичные неисправности: некачественно выполненный монтаж деталей электроники при деформации (изгибы, удары) платы приводит к внутренним разрывам около проводников и нестабильной работе usb-флэш накопителя.
- USB разъем — предназначен для подключения флэш-накопителя к устройствам чтения. При некачественном монтаже разъем отрывается от дорожек и в месте пайки. Не так давно я сталкивался с данным явлением.
- Микроконтроллер — микросхема, в обязанности которой входит управление памятью типа NAND и передача информации. Содержит в себе данные о производителе и типе памяти, а также хранит в себе необходимую служебную информацию для правильного функционирования флэш-накопителя. По вине контроллера чаще всего происходит выход из строя флэш-накопителя.
- Симптомы характеризующие его выход из строя: флэш-накопитель определяется как «неизвестное устройство», показывает не правильный размер (объем) накопителя или просит вставить чистый диск в устройство чтения. Причиной выхода из строя контроллера (сгорает) — служит некачественное питание, плохая работа стабилизатора и неправильное извлечение флэш-накопителя.
- Микросхема памяти типа NAND — это энергонезависимая память, которая отвечает за хранение информации. По истечении N-го количества времени, при сбое или повреждении в памяти могут образоваться поврежденные блоки (бэд блоки). Возможны и другие причины появления испорченных блоков, в которые больше не представляется возможным записывать/считывать информацию. Устранить такую неисправность можно с помощью узкоспециализированных программ, что в конечном итоге уменьшит объем памяти, но восстановит работоспособность.
- Кварцевый резонатор — используется для построения опорной частоты, которая необходима для функционирования логики контроллера и флэш-памяти. При выходе из строя, USB флэш-накопитель определяется как «неизвестное устройство» или не определяется вовсе(не видит считывающее устройство).
Преимущества USB-флешек:
- Небольшой размер, вес, портативность.
- Накопитель можно подключить к любому устройству считывания (практически везде есть USB).
- Практически нет влияния от внешней окружающей среды (пыль, царапины, загрязненность).
- USB флешка может работать в широком диапазоне температур.
- Малые габариты позволяют хранить большой объем информации.
- Низкое энергопотребления.
- В сравнении с жестким дискам, она устойчивее к внешним воздействиям, вибрациям и ударам.
- Удобство подключения к устройству.
- Высокая скорость доступа к данным.
Недостатки USB-флешек:
- Ограниченное число циклов записи и стирания перед выходом из строя.
- Ограниченный срок автономного хранения данных.
- Скорость записи и чтения ограничены пропускной способностью шины USB и самой флеш-памяти.
- Чувствительны к радиации и электростатическому разряду (обычно наблюдается в быту, чаще всего зимой).
В заключении статьи предлагаю Вам посмотреть тематическое видео по производству USB Flash накопителей на заводе Kingston Production.
О том, что такое флэшка, Вы можете прочитать на многих сайтах. Вам также подробно расскажут, чего нельзя с ней делать. А вот как узнать, что с ней можно делать? А вот бы урок с наглядным показом по всем пунктам (от А до Я) о работе с флэшкой? Допустим, что Вы пожелали перенести с одного компа на другой текст (пускай второй комп к Интернету будет неподключен).
А во втором случае мультик, в третьем случае и то и другое. Что самое главное в уроке – ВСЕ последовательные действия переноса. Оригинальное требование? Но ведь только таким образом можно показать, разъяснить, уберечь незнайку (камушек в огород новичков, не совладать им с флэшкой) от лишних и ненужных действий!
Информации о флешке много, а вот конкретной пошаговой “инструкции” по работе с флешкой нет! А зря! Уверена, что такие вот “трудности” есть у многих, а вот написать о них. Так что держите урок о работе с флешкой.
Вот как выглядит обычная флэшка.
Шаг 1. Вставляете ее в USB-порт (см. картинку).
Рядом с этим портом обычно находятся разъемы для наушников и микрофона.
Вот они рядом зеленого и розового цвета.
Шаг 2. Теперь нажимаете «Пуск». Затем «Мой компьютер». Среди картинок вы увидите картинку съемного диска. Название у нее может быть любое.
Главное это его наглядное изображение на картинке. Например, «KINGSTON (F:) ». При этом «KINGSTON» означает название производителя флэшки, а (F:) – это название диска.
Шаг 3. Записывать информацию на флэшку можно, по крайней мере, 2-мя способами. Рассмотрим оба.
1 способ. Продолжим с того места, на котором остановились.
1. Щелкаем по изображению флэшки левой клавишей мышки. В результате вам откроется ее содержимое.
2. Выбирайте на рабочем столе или в любой другой папке нужный файл (текстовый документ, музыку, видео, все, что угодно), который вы хотите скопировать на флэшку.
3. Теперь захватываете его левой клавишей мыши и тащите в папку флешки. Отпускаете.
Все. Вы скопировали файл на флешку!
2. способ.
1.Выбираете нужный вам файл для копирования на флешку.
2. Щелкайте по нему правой клавишей мышки.
3. Выбираете пункт «Отправить»
4. Затем выбираете пункт с изображением флешки. В нашем примере «KINGSTON (F:) ».
5. Все, файл отправлен на флешку. Можете проверить его наличие на флешке.
Шаг 4. Информацию Вы записали. Теперь надо безопасно извлечь флешку из компьютера. Для этого делаете следующее.
На этом все. Теперь вы и работу с флешкой освоили. И готовы покорять новые компьютерные горизонты! Успехов вам в этом!