USB spominski ključ

USB spominski kljuˇc
Primoˇz Cigler
Ljubljana, maj 2011
1
Povzetek
USB spominski kljuˇci so ˇsele pred nedavnim izrinili praktiˇcno vse ostale naprave
za prenos podatkov, saj so majhni, lahki, vzdrˇzljivi in kompatibilni z vsemi operacijskimi sistemi. Ta ˇclanek opisuje delovanje USB spominskih kljuˇcev.
1
Uvod
USB spominski kljuˇcki so relativno nove elektronske naprave, saj se je prvi USB
kljuˇc na trgu pojavil konec leta 2000, s kapaciteto 8 megabajtov. Takrat je ta
kapaciteta veˇc kot petkrat presegla najbolj razˇsirjene 3,5-palˇcne diskete, vendar so
bili prvi komercialni produkti ˇse dragi in nerazˇsirjeni.
Danaˇsnji USB kljuˇci dosegajo kapacitete veˇc kot 100 gigabajtov. Na njih je
mogoˇce (pre)pisati digitalne podatke po navadi do 10,000-krat, kar je precej veˇc,
kot je ˇzivljenska doba plastiˇcnega USB prikljuˇcka. Glavne prednosti bliskovnega
pomnilnika1 pred ostalimi vrstami medijev za digitalno shranjevanje so predvsem:
• USB spominski kljuˇc nima premiˇcnih delov, zato deluje nesliˇsno.
• V primerjavi s CD in DVD mediji je moˇzno nanj enostavno shranjevati, dodajati in brisati podatke, podobno kot na trdi disk raˇcunalnika in (obiˇcajno)
ne potrebuje dodatnega programskega orodja za delovanje.
• So lahki in majhni, kar je predvsem praktiˇcno zaradi prenosljivosti.
• Zelo robustni - odporni na pritiske, padce, nekateri tudi na prah, vodo, . . .
USB spominski kljuˇci uporabljajo standard “USB mass storage”, ki je avtomatsko podprt na vseh glavnih operacijskih platformah. Ta standard omogoˇca
prenos podatkov med kljuˇcem in raˇcunalnikom. Naprava za delovanje uporablja
napetost, ki jo dobi preko USB vhoda iz raˇcunalnika. Ta napetost je potrebna, ko
piˇsemo, briˇsemo ali prepisujemo na kljuˇc, sicer pa za ohranjanje podatkov naprava
ne potrebuje dodatnega vira napetosti.
Slika 1: USB kljuˇc. Vir: [3]
1
ang. flash memory
2
2
Delovanje
Tehnologija delovanja USB spominskih kljuˇcev se je razvila iz EPROM in EEPROM tehnologij. Na zaˇcetku je bilo mogoˇce na takˇsna vezja shranjevati podatke,
vendar ni bilo mogoˇce nanje naknadno dodajati novih, ne da bi pri tem izbrisali vso
obstojeˇco vsebino s ˇcipa. Kasneje so razvili EEPROM vezja sestavljena iz manjˇsih
blokov, ki so med seboj neodvisna, kar pomeni da lahko zbriˇsemo le majhen del
spomina in tja prepiˇsemo nove podatke.
Slika 2: Shema tranzistorja na poljski pojav. Vir: [8]
USB spominski kljuˇci tako kot mnogo drugih naprav uporabljajo bliskovni pomnilnik. Osnovni element takega pomnilnika, ki lahko hrani logiˇcno enko ali niˇclo,
je tranzistor na poljski pojav (slika 2). Tak tranzistor ima dvojna vrata. Na vrhu
so kontrolna vrata, spodaj pa plavajoˇca vrata2 , izolirana z vseh strani z oksidno
plastjo. Zaradi izolacije so elektroni, ki se nahajajo v plavajoˇcih vratih, ujeti in se
naboj v normalnih pogojih ne pretoˇci nikamor tudi po veˇc let. Naboj v plavajoˇcih
vratih ustvari elektriˇcno polje, ki vpliva na kontrolna vrata, ta pa vplivajo na mejno
napetost tranzistorja. Pri branju podatkov pripeljemo napetost na kontrolna vrata
in pri tem postane polprevodnik NPN pod plavajoˇcimi vrati prevoden ali pa ne,
odvisno od naboja, ki je ujet v plavajoˇcih vratih. Pri tem dobimo na izhodu3
logiˇcno 0 ali 1.
2.1
Pisanje podatkov v spomin
V osnovnem stanju je vsak tranzistor ekvivalenten binarni logiˇcni enki, ker bo
tok tekel preko NPN polprevodnika. Logiˇcno niˇclo lahko nastavimo z naslednjimi
koraki:
1. Na kotrolna vrata pripeljemo viˇsjo napetost kot za branje (po navadi veˇcjo
kot 5 V).
2. Preko polprevodnika sedaj lahko steˇce elektriˇcni tok.
2
3
ang. floating gate
ang. bit line
3
ˇ je napetost med polprevodnikom, kjer teˇce tok in plavajoˇcimi vrati dovolj
3. Ce
visoka, lahko elektroni z dovolj veliko energijo tunelirajo skozi tanko izolacijsko
plast in tako ostanejo ujeti v plavajoˇcih vratih.
2.2
Brisanje spomina
Da tranzistor spet spravimo v osnovno stanje (1), moramo med kontrolnimi vrati
in polprevodnikom pritisniti obratno napetost, kot za pisanje niˇcle ali branje, tako
da elektroni tunelirajo iz plavajˇcih vrat nazaj v polprevodnik. Moderni bliskovni
ˇcipi so narejeni iz manjˇsih segmentov, saj ne moremo brisati le enega tranzistorja,
paˇc pa lahko briˇsemo le celoten blok, preden lahko spet zapiˇsemo podatke.
3
USB spominski kljuˇ
c
Slika 3: Razstavljen USB spominski kljuˇc. Vir: [9]
USB spominski kljuˇc je sestavljen iz naslednjih bistvenih delov (oznaˇcemo s
ˇstevilkami na sliki 3):
• (1) Moˇski USB prikljuˇcek tipa A omogoˇca fiziˇcno povezavo z raˇcunalnikom.
• (2) “USB mass storage controller” poskrbi, da raˇcunalnik zazna napravo kot
zunanji disk za shranjevanje podatkov. Vsebuje tudi lokalni pomnilnik ROM
in RAM USB kljuˇca.
• (4) Bliskovni pomnilnik, v katerem se nahajajo tranzistorji na tunelski pojav,
ki vsebujejo vse podatke, shranjene na kljuˇcu.
• (5) Quartzov oscilator (ura), ki poskrbi, da se pri branju in pisanju podatki
piˇsejo v pravilnem zaporedju.
4
Neobvezni deli so ˇse:
• (3) Testni prikljuˇcki
• (6) Svetleˇca dioda za vizualno reprezentacijo pisanja/branja na USB spominski kljuˇc
• (7) Stikalo za onemogoˇcanje branja/pisanja na kljuˇc
Literatura
[1] Splet: http://en.wikipedia.org/wiki/USB flash drive (11. 5. 2011)
[2] Splet: http://electronics.howstuffworks.com/flash-memory.htm (11. 5. 2011)
[3] Splet: http://www.sxc.hu/photo/1222867/?forcedownload=1 (11. 5. 2011)
[4] Splet: http://en.wikipedia.org/wiki/Non-volatile memory (11. 5. 2011)
[5] Splet:
2011)
http://en.wikipedia.org/wiki/USB mass storage device class (12. 5.
[6] Splet: http://en.wikipedia.org/wiki/Flash memory (12. 5. 2011)
[7] Splet: http://sl.wikipedia.org/wiki/Tranzistor na poljski pojav (12. 5. 2011)
[8] Splet: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Flash cell structure.svg (12. 5. 2011)
[9] Splet: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Usbkey internals.jpg (12. 5. 2011)
5