Технические и эксплуатационные характеристики внешних запоминающих устройств (флеш-устройства)

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

"САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭКОНОМИКИ И ФИНАНСОВ"

Кафедра информатики

Тема: "Технические и эксплуатационные характеристики внешних запоминающих устройств (флеш-устройства)"

Выполнил:

Файзыров Искандер Ирекович

Принял работу:

преподаватель кафедры информатики

Щадилов Александр Евгеньевич

Санкт-Петербург

2012

Запоминающее устройство -- носитель информации, предназначенный для записи и хранения данных. В основе работы запоминающего устройства может лежать любой физический эффект, обеспечивающий приведение системы к двум или более устойчивым состояниям.

К внешним устройствам относятся магнитные диски, CD, DVD, BD, cтримеры, жесткий диск (винчестер), а также флэш-карта. Внешняя память дешевле внутренней, создаваемой обычно на основе полупроводников. Кроме того, большинство устройств внешней памяти может переноситься с одного компьютера на другой. Главный их недостаток в том, что они работают медленнее устройств внутренней памяти.

Flash-карта

Устройства, выполненные на одной микросхеме (кристалле) и не имеющие подвижных частей, основаны на кристаллах электрически перепрограммируемой флэш-памяти. Физический принцип организации ячеек флэш-памяти можно считать одинаковым для всех выпускаемых устройств, как бы они ни назывались. Различаются такие устройства по интерфейсу и применяемому контроллеру, что обусловливает разницу в емкости, скорости передачи данных и энергопотреблении.

Multimedia Card (MMC) и Secure Digital (SD) - сходит со сцены из-за ограниченной емкости (64 Мб и 256 Мб соответственно) и низкой скорости работы.

SmartMedia - основной формат для карт широкого применения (от банковских и проездных в метро до удостоверений личности). Тонкие пластинки весом 2 грамма имеют открыто расположенные контакты, но значительная для таких габаритов емкость (до 128 Мбайт) и скорость передачи данных (до 600 Кбайт/с) обусловили их проникновение в сферу цифровой фотографии и носимых МРЗ-устройств.

Memory Stick - "эксклюзивный" формат фирмы Sony, практически не используется другими компаниями. Максимальная емкость - 256 Мбайт, скорость передачи данных доходит до 410 Кбайт/с, цены сравнительно высокие.

CompactFlash (CF) - самый распространенный, универсальный и перспективный формат. Легко подключается к любому ноутбуку. Основная область применения - цифровая фотография. По емкости (до 3 Гбайт) сегодняшние CF-карты не уступают IBM Microdrive, однако отстают по скорости обмена данными (около 2 Мбайт/с).

USB Flash Drive - последовательный интерфейс USB с пропускной способностью 12 Мбит/с или его современный вариант USB 2.0 с пропускной способностью до 480 Мбит/с. Сам носитель заключен в обтекаемый компактный корпус, напоминающий автомобильный брелок. Основные параметры (емкость и скорость работы) полностью совпадают с CompactFlash, поскольку чипы самой памяти остались прежними. Может служить не только "переносчиком" файлов, но и работать как обычный накопитель - с него можно запускать приложения, воспроизводить музыку и сжатое видео, редактировать и создавать файлы. Низкое среднее время доступа к данным на Flash-диске - менее 2,5 мс. Вероятно, накопители класса USB Flash Drive, особенно с интерфейсом USB 2.0, в перспективе смогут полностью заменить собой обычные дискеты и частично - перезаписываемые компакт-диски, носители Iomega ZIP и им подобные.

PC Card (PCMCIA ATA) - основной тип флэш-памяти для компактных компьютеров. В настоящее время существует четыре формата карточек PC Card: Type I, Type II, Type III и CardBus, различающиеся размерами, разъемами и рабочим напряжением. Для PC Card возможна обратная совместимость по разъемам "сверху вниз". Емкость PC Card достигает 4 Гб, скорость - 20 Мб/с при обмене данными с жестким диском.

Miniature Card (MC) - карточка флэш-памяти, предназначена в основном для карманных компьютеров, мобильных телефонов и цифровых фотокамер. Стандартная емкость составляет 64 Мбайт и больше.

xD Picture Card (extreme Digital) является новым типом флэш-памяти, разработанным компанией Toshiba специально для цифровых фотоаппаратов. На сегодняшний день это самое миниатюрное устройство флэш-памяти. Благодаря использованию технологии NAND не имеет ограничений на максимальный объем. Сейчас известны карточки xD Picture Card емкостью до 1 Гбайт, ожидается появление изделий емкостью до 8 Гбайт.

MirrorBit Flash, разработанная компанией AMD, основана на технологии хранения в ячейке двух бит. Каждая ячейка разделена на симметричные (зеркальные) половинки изолирующим слоем из нитрида кремния и, таким образом, имеет удвоенную емкость. За счет "зеркальности" более быстро формируется стандартная 16-битная страница данных, что увеличивает скорость обмена. Чипы семейства MirrorBit имеют емкость 64 Мбит и могут быть установлены на большинство современных типов твердотельных устройств памяти.

Flash-память (англ. Flash-Memory) - разновидность твердотельной полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти. Flash-память может быть прочитана сколько угодно раз, но писать в такую память можно лишь ограниченное число раз (обычно около 10 тысяч раз). Несмотря на то, что такое ограничение есть, 10 тысяч циклов перезаписи это намного больше, чем способна выдержать дискета или CD-RW.

Flash память наиболее известна применением в USB Flash Drive. USB Flash Drive (на компьютерном сленге флэшка или карандаш) - носитель информации, использующий Flash - память для хранения данных и подключаемый к компьютеру или иному считывающему устройству через стандартный разъём USB. USB Flash Drive называют также USB Flash-картой.

У флэш-дисков отсутствуют какие-либо подвижные части, по форме чаще всего они представляют собой прямоугольные картриджи. Для хранения информации в них используются специализированные микросхемы памяти с металлизацией (металл-нитридные), выполненные по технологии Flash. Дисками их называют условно, поскольку флэш-диски полностью эмулируют функциональные возможности HDD.

По существу, флэш-диски - это "полупостоянные" запоминающие устройства, стирание, считывание и запись информации в которых выполняется электрическими сигналами (в отличие от прочих ПЗУ, в которых эти действия производятся лучом лазера или чисто механически - "перепрошивкой"). Количество циклов перезаписи информации в одну и ту же ячейку у флэш-памяти ограничено, но оно обычно превышает 1 миллион - эта величина иногда указывается в паспорте микросхемы.

Логические неисправности

Накопитель физически исправен, но опознаётся как пустой или неформатированный, а ранее записанные данные не видны. В данном случае повреждена файловая система, точнее, её служебные таблицы. Данные обычно остаются на месте, и их можно пытаться восстановить с помощью различных эвристических программ (в просторечии называемых рекаверилками). Можно рекомендовать известные пакеты R-Studio, EasyRecovery и т.п.

Разумеется, для проведения восстановления, накопитель должен быть подключен к порту USB компьютера: флэш-диск непосредственно, а карта памяти - через картридер (его роль может исполнять фотоаппарат, или другое устройство с подходящим карточным слотом, если они имеют стандартную эмуляцию USB Drive). Восстанавливаемые файлы всегда записываются на другой накопитель с достаточным объёмом свободного места.

Любая эвристика основана на определённых допущениях, выросших из практики работы с жёсткими дисками. У флэш-накопителей нет большого разнообразия файловых систем (обычно FAT16, реже FAT32), но отличается схема работы, дисциплина адресации и записи и т.п., поэтому указанные допущения могут быть неверны. В подобных случаях "рекаверилки" грубо ошибаются или вообще не видят данные, и требуется кропотливая ручная работа.

Приведём пример. При сбое флэш-диска, сегмент, размером 128 Кб, был заполнен случайным кодом с преобладанием "единиц" и повторяемостью 2 Кб. Этот сегмент частично пришёлся на FAT, отчего R-Studio выдала недостоверные результаты. В дисковом редакторе были вычислены границы испорченного сегмента, он был обнулён, после чего R-Studio была запущена повторно. Результаты улучшились, хотя несколько файлов было потеряно.

Часто требуется восстановить цифровые фотографии с карты памяти. Здесь есть свои особенности. С одной стороны, однотипные файлы (чаще всего форматов JPG, TIFF и MOV) записываются последовательно без фрагментации, так что даже при сильном разрушении файловой системы их границы легко определить по характерным заголовкам. Фактически, нужно лишь просканировать накопитель. На этом принципе основаны многочисленные коммерческие программы наподобие PhotoRescue. C другой стороны, сложности представляет восстановление RAW-снимков. Этот формат не стандартизирован, и имеет много разновидностей, зависящих от производителя фотоаппарата, и даже прошивки той или иной модели. Здесь порой помогает только фирменный специализированный софт.

Основная причина неисправности - преждевременное извлечение устройства из разъема или внезапное отключение питания, когда операционная система не успевает обновить файловую систему на накопителе. Конечно, нередки и ошибки пользователя, когда он по неосторожности стирает файлы или запускает форматирование.

Профилактика: корректно завершайте работу перед отключением флэшки. В компьютерах и ноутбуках с Windows всегда используйте функцию "безопасное извлечение устройства". В цифровых фотоаппаратах и другой портативной технике следите за зарядом аккумулятора, чтобы он не "сел" неожиданно в процессе работы. Выключайте питание не раньше, чем закончатся текущие операции с картой.

Механические поломки

Миниатюрные флэшки хотя и рождены для "кочевой жизни", нередко страдают от грубого обращения. Флэш-диски зачастую имеют непрочный корпус, тонкую плату, слабое крепление разъема USB. Карты памяти бывают слабы на изгиб, у них может расслаиваться корпус, выпадать задвижка разрешения записи, смещаться разделители контактов и истираться сами контакты. Замечено, что чаще ломается продукция эконом-класса и no-name.

Изгибные нагрузки повреждают корпус, вызывают микротрещины на плате, приводят к нарушению контактов и растрескиванию деталей. От ударов и падений страдает кварцевый резонатор. У большинства устройств негерметичный корпус, пропускающий воду.

Ремонт: восстановление контактов, замена деталей, укрепление разъема USB, склейка или замена корпуса. При подобных манипуляциях данные сохраняются. Если треснул чип памяти, то данные потеряны, ремонт не оправдан. К счастью, такое случается редко.

Профилактика: аккуратно обращайтесь со своими устройствами, не роняйте и не наступайте. Карты памяти храните в жёстких футлярах. При подключении флэш-диска к порту USB, не прилагайте больших усилий, а во время работы старайтесь не задевать устройство: есть риск выломать разъём, заодно получив замыкание.

Если ваш накопитель побывал в воде, особенно морской, его лучше сразу отдать специалисту. Некачественная промывка и просушка, преждевременное включение, могут непоправимо испортить устройство и уничтожить данные.

При покупке выбирайте флэш-диски с прочным, не слишком тонким корпусом. Чем больше металла, тем лучше. Разъём USB должен сидеть "как влитой", колпачок - надёжно фиксироваться. Удобно, когда колпачок застрахован от потери, а на корпусе имеется отверстие для шнурка или кольца, чтобы брелок можно было подцепить к ключам или повесить на шею. Неплохи конструкции, где вилка выдвигается или поворачивается, хотя в подвижном дизайне есть свои слабые места. Обрезиненный корпус сочетает влаго- и ударостойкость, это удачный вариант для путешествий.

Среди карт памяти прочнее те, чей корпус не склеен из двух тонких половинок, а представляет собой как бы монолитный кусок пластика. В дорогих моделях внутренний объём залит силиконом, что дает дополнительную герметизацию.

Электрические и тепловые повреждения

Нестабильное электропитание, а также разряды статики - частая причина неисправности флэш-дисков. Многие нынешние модели имеют слабую защиту от перепадов напряжения, и случайные броски выводят их из строя. Вероятно, сказывается политика удешевления продукции, когда из схемотехники выводились "лишние" элементы защиты. Свою долю вины несут и некачественные "китайские" блоки питания с их пульсациями в линиях 5В.

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. С учётом заряда на теле человека, наиболее опасен бывает момент подключения.

Еще одна причина неисправностей - "человеческий фактор" при сборке системных блоков. Небрежные, или просто неопытные работники умудряются неправильно подключить к материнской плате шлейф порта USB на передней панели. Это приводит к переполюсовке линий питания, и флэш-диск сгорает при первом же подключении. Шлейф чаще всего не экранирован, и даже правильная сборка не избавляет от наводок внутри корпуса, вносящих искажения в работу порта. Подключенный к нему накопитель может работать медленно, сбоить или вообще не определяться в системе, что служит предпосылкой для ложных выводов о неисправности.

Проблема нагрева, для флэш-дисков, разумеется, не так актуальна, как для жестких дисков с их механикой. 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. Чаще всего страдает стабилизатор питания. Справедливости ради, скажем, что в новых моделях улучшена элементная база, уделено внимание теплоотводу и проблема встречается реже.

Повышенная температура эксплуатации вредна и для чипов флэш-памяти. Хотя, по спецификациям, они выдерживают до 125є, на практике, уже начиная с 70є, их ресурс резко падает, а вероятность сбоев растёт. Достичь такого нагрева проще, чем кажется: "помогает" соседство с силовыми деталями в тесном корпусе.

Что касается карт памяти, то реальна опасность их повреждения статическим разрядом в процессе вставки или извлечения из слота. Особенно уязвимы карты с открытыми контактами, наподобие MMC ; "пробить" статикой CF или MS труднее по очевидным причинам.

Ремонт: замена неисправных деталей. Переставлять контроллер или чип памяти не всегда рентабельно, поэтому ремонт обычно сводится к замене сгоревших элементов обвязки.

Профилактика: обеспечьте компьютерам заземление и стабильное электропитание. Используйте качественные блоки питания достаточной мощности. Прежде чем вставить флэш-диск в порт USB, коснитесь рукой системного блока, чтобы уравнять потенциалы. От статики и перегрева лучше других защищены флэш-диски в металлических корпусах.

В свете проблем со сборкой, а также для уменьшения наводок, рекомендуется использовать порты USB, распаянные на материнской плате. Для удобства доступа к задней панели поставьте удлинитель USB. Качественный продукт отличают витые пары проводов с обязательной экранировкой и внешний диаметр не менее 5мм. Кабель не должен быть слишком длинным (оптимально 0.8-1.5 м ) и не должен соседствовать с силовыми проводами.

С картами памяти следует обращаться с осторожностью, не дотрагиваться до открытых контактов и, по возможности, не вынимать из слотов в неблагоприятной окружающей среде.

Следует упомянуть о влиянии внешних электромагнитных полей. Неоднократно наблюдались сбои в работе флэш-дисков, когда рядом находился мобильный телефон. Имеются также сообщения о порче информации после досмотра багажа в аэропортах. Пока не накоплена достоверная статистика по данному вопросу, стоит подстраховаться: держать флэшки подальше от включённых мобильников, а перед полетом брать в ручную кладь.

Сбои контроллера

Контроллер имеется во всех флэш-дисках и многих картах памяти, он отвечает за передачу данных между внешним интерфейсом и флэш-памятью, и выполняет множество других функций.

Как показывает практика, прошивка (микропрограмма) контроллера подвержена внешним воздействиям - сбои питания, разряды статики, ошибки интерфейса и т.п. могут ее повреждать. В таких случаях контроллер блокируется и не отвечает на запросы операционной системы. Внешне это проявляется в том, что накопитель опознается в компьютере как "Неизвестное устройство", либо как съёмный диск с нулевой ёмкостью. При обращениях к нему могут выводиться сообщения "Вставьте диск в дисковод" или "Нет доступа к диску".

Естественно, данные обычным путём не доступны, однако во флэш-памяти они сохраняются, и их можно считать непосредственно с чипа на специальном оборудовании. Описание подобных технологий выходит за рамки данной статьи.

Иногда накопитель становится доступен только на чтение, причем положение переключателя записи, если он есть, ни на что не влияет. Данные видны и читаются, но при попытках создания файла, стирания или форматирования выводится сообщение "Диск защищен от записи". Контроллер переходит в такой режим при выявлении аппаратных ошибок флэш-памяти, чтобы предотвратить её дальнейшее разрушение (память NAND повреждается главным образом при записи). Понятно, что в этом случае можно говорить только о ремонте накопителя.

Многие контроллеры поддерживают защиту данных, когда с помощью прилагаемой программы, на флэш-диске, создается скрытый раздел, открывающийся после ввода пароля. Данная функция пока не стандартизирована, а главное, недостаточно надёжна: скрытый раздел становится недоступным даже при лёгких сбоях. Причиной могут служить как упомянутые внешние воздействия на контроллер, так и некорректные действия пользователя (например, попытка форматирования раздела с помощью "чужой" утилиты). Восстановление данных в таких случаях - прерогатива специалистов.

Ремонт: восстановление прошивки контроллера с помощью технологических утилит. Утилиты строго специализированы, и надо иметь версию именно для своей модели контроллера. Знать только модель накопителя недостаточно, поскольку в различных экземплярах одной и той же модели могут стоять совершенно разные контроллеры: таковы реалии нынешнего производства.

Требуемые программы иногда можно скачать с сайта производителя флэшки или найти на прилагаемом компакт-диске. Если в этих источниках утилиты отсутствуют, можно провести в Интернете поиск по маркировке контроллера. Для этого следует разобрать флэш-диск или, что безопаснее, определить контроллер по кодам VID/PID (их можно узнать в Диспетчере устройств, с помощью программ MSINFO32 или UsbIDCheck ), и таблице (содержит расшифровку кодов более 7000 USB-устройств).

Во многих случаях, однако, фирма-разработчик контроллера предоставляет свой инструментарий лишь производителям и авторизованным сервисам, по достаточно строгому лицензионному соглашению. Разумеется, в открытый доступ такой софт не попадает, поэтому самостоятельный ремонт затруднителен.

В последнее время ограничительная практика расширяется. Этому способствует неспокойная ситуация на рынке, а именно - поток подделок из Китая. Так, в большом количестве продавались флэш-диски, "перешитые" на больший номинальный объём (например, 2 Гб при реальных 128 Мб). Покупатель раскрывал обман не сразу, а лишь когда записанные данные превышали реальный объём чипа памяти (флэшка попросту переставала определяться). Встречались также "урезанные" вдвое или вчетверо экземпляры, на чипах с дефектными участками.

В описанных случаях, мошенникам помог именно мощный сервисный софт, имевшийся в открытом доступе. Подделки строились на тех контроллерах, утилиты для прошивки которых можно было найти в Интернете.

Заметим, что при прошивке контроллера флэш-память обычно стирается, поэтому ремонт накопителя и восстановление данных - задачи технологически несовместимые.

Профилактика: Оберегайте флэшки от статики, это особенно актуально зимой с её сухим воздухом и шерстяной одеждой. Избегайте сбоев электропитания во время активной работы с накопителями (лучше всего подключить компьютер к ИБП). Не забывайте про безопасное извлечение. Запароленные флэш-диски требуют особо аккуратного обращения.

Сбои и износ памяти

Накопитель опознается и работает, но данные читаются с ошибками. Искажаются файлы, портятся архивы, может выводиться сообщение "Ошибка CRC".

Причина - дефекты флэш-памяти на физическом уровне, чаще всего вследствие заводского брака или износа. Память NAND, по своей природе, выдерживает ограниченное число перезаписей, причем по мере роста ёмкости чипов, заявленный ресурс снижается: от 1 млн. циклов несколько лет назад до 100 тыс. в новых моделях и даже 10 тыс. в дешёвой памяти MLC ( Multi - Level Cell ).

Реальный ресурс по записи, каждого конкретного чипа, зависит от качества его изготовления и условий эксплуатации, и на практике может быть значительно ниже заявленного. В то же время, число считываний ничем не ограничено, более того, гарантируется хранение однажды записанных данных в течение 10 лет.

Как бы то ни было, по сравнению с другими сменными носителями ( FDD, ZIP, CD-RW, DVD-RW, Tape ) ресурс флэш-памяти весьма велик. Износ не имел бы серьёзного значения, производись запись равномерно по всем адресам. К сожалению, это не так, и вся проблема в файловой системе FAT. Ряд её служебных таблиц переписывается при каждом обновлении любого из файлов, именно эти ячейки памяти первыми выходят из строя.

Для борьбы с этим явлением применяется технология "выравнивания износа" (wear leveling): часто изменяемые данные перемещаются по адресному пространству флэш-памяти, так что запись производится по разным физическим адресам. В каждый контроллер заложен свой алгоритм выравнивания; сравнивать их эффективность у тех или иных моделей затруднительно, поскольку детали реализации не разглашаются. Считается, что выравнивание износа повышает ресурс флэш-памяти в 3-5 раз.

Ремонт: низкоуровневое форматирование с сокрытием дефектов. Процедура сходна с "ремапом" у жестких дисков: последовательно тестируются все адреса, обнаруженные сбойные блоки переназначаются в резервную область чипа памяти, и, в дальнейшем, не используются. При нарастании числа дефектов, полезный объем флэшки может незначительно уменьшиться, но она остается полностью рабочей.

Флэш-диск форматируется при помощи специальной утилиты, которую можно найти в комплекте поставки (часто под именем Recovery или Format) или скачать с сайта производителя. Все данные при этой операции необратимо теряются. Для карт памяти аналогичных утилит имеется гораздо меньше. Вероятно, производители считают, что типовые применения карт не связаны с быстрым износом.

Профилактика: конечный ресурс по записи принципиально ограничивает срок службы флэш-накопителей (в этом их важное отличие от жестких дисков). Разумеется, долговечность каждого конкретного устройства сильно зависит от характера эксплуатации. Так, если держать на флэш-диске базу данных 1С, при работе с которой многие файлы обновляются автоматически, то проблемы начнутся через считанные месяцы. С другой стороны, владелец цифрового фотоаппарата в этом смысле ничем не рискует - последовательная запись снимков на карту памяти, а затем копирование на компьютер и полное форматирование, расходуют ресурс карты крайне экономно.

В среднем, современные флэш-диски можно эксплуатировать 1.5-2 года до первых проявлений износа. Для профилактики сбоев, при активной работе, время от времени выполняйте низкоуровневое форматирование (разумеется, сохранив перед этим нужные данные). Сокрытие неустойчиво читающихся блоков предотвратит потерю информации. Сильно "потрёпанные" экземпляры выводите из эксплуатации или используйте для хранения менее важных данных.

Заключение

запоминающий стример винчестер флэш

Многие из вышеописанных проблем - это "детские болезни" флэш-накопителей, они вызваны молодостью технологий, быстрым развитием стандартов и взрывным ростом рынка. Можно ожидать, что взросление отрасли повлияет на надёжность изделий в лучшую сторону. Как бы то ни было, на сегодня флэшки - незаменимые средства хранения и переноса информации.

Аккуратность и несложные меры профилактики помогут продлить жизнь флеш-устройствам и избежать большей части неприятностей.

Использованная литература

Информационные технологии: учебник, под ред. проф. В.В. Трофимова, 2009г.

http://citforum.ru/hardware/data/flash_long_life/

http://zxshader.narod2.ru/D1/V8/

Размещено на Allbest.ru