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1、U 盘原理【摘要】随着信息技术的高速发展，寻求一种高效、快捷、方便的存储工具愈发的重要，并成为当代人共同追求的目标。USB 闪存盘（以下简称 U 盘）正是这种存储工具，它小巧便于携带、存储容量大、价格便宜、性能可靠。全称“USB 闪存盘”，英文名“USB flash disk”。它是一个 USB 接口的无需物理驱动器的微型高容量移动存储产品，可以通过 USB 接口与电脑连接，实现即插即用。本文从 U 盘的结构特点、存储工作原理及其今后的发展等方面论述。关键词：U 盘 结构 存储 发展一、U 盘的结构特点U 盘是基于 USB 接口、以闪存芯片为存储介质的无需驱动器的新一代存储设备。U 盘的出现是
2、移动存储技术领域的一大突破，其体积小巧，特别适合随身携带，可以随时随地、轻松交换资料数据，是理想的移动办公及数据存储交换产品。U 盘的结构比较简单，主要是由 USB 插头、主控芯片、稳压 IC(LDO)、晶振、闪存(FLASH)、PCB 板、帖片电阻、电容、发光二极管 (LED)等组成。USB 插头：容易出现和电路板虚焊，造成 U 盘无法被电脑识别，如果是电源脚虚焊，会使 U 盘插上电脑无任何反映。有时将 U 盘摇动一下电脑上又可以识别，就可以判断 USB 插口接触不良。只要将其补焊即可解决问题。通用串行总线(Universal Serial Bus USB） ，是一种快速、灵活的总线接口。与
3、其它通信接口比较，USB 接口的最大特点是易于使用，这也是 USB 的主要设计目标。作为一种高速总线接口，USB 适用于多种设备，比如数码相机、MP3 播放机、高速数据采集设备等。易于使用还表现在 USB 接口支持热插拔，并且所有的配置过程都由系统自动完成，无需用户干预。USB 接口支持 1.5Mb/s(低速)、12Mb/s(全速) 和高达 480Mb/s(USB2.0 规范)的数据传输速率，扣除用于总线状态、控制和错误监测等的数据传输，USB 的最大理论传输速率仍达 1.2Mb/s 或 9.6Mb/s，远高于一般的串行总线接口。稳压 IC：又称 LDO，其输入端 5V，输出 3V，有些劣质
4、U 盘的稳压 IC 很小，容易过热而烧毁。还有 USB 电源接反也会造成稳压 IC 烧毁。维修时可以用万用表测量其输入电压和输出电压。如无 3V 输出，可能就是稳压 IC 坏了。但有一种情况，输出电压偏低，且主控发烫，这时就是主控烧了。还有些 U 盘会在 USB+5V 和稳压 IC 之间串一个 0 欧姆的保护电阻，此时稳压 IC 没有 5V输入电压就是它坏了。现在许多主控都将 LDO 集成到主控内部了，所以我们会看到许多 U 盘都没有外置 LDO 了，它们都是 USB+5V 电压直接输入。这种情况就要换主控。晶振：早期的 U 盘大多都是用 6M 的晶振，现在的 U 盘则普遍采用 12M晶振。晶
5、振不耐摔，所以它是 U 盘上的易损件，最好的维修方法就是用相同频率的晶振直接代换。主控芯片：主控制芯片负责闪存与 USB 连接，是 U 盘的核心，我们一般所说的 U 盘方案就是指主控芯片的型号。量产工具也是与它对应的。有些主控芯片还要输入 3V 的电压给 FLASH 供电，保证闪存的正常工作。FLASH 焊盘：它的作用是固定闪存，使闪存与主控连接。此外，受外力挤压后容易使闪存与焊盘接触不良，这时会造成电脑上的 U盘打不开，无法存储文件等。只要将闪存的引脚补焊一下就可以修复，也即我们常说的拖焊。图 1 U 盘的实物结构图二、U 盘的存储、工作原理2.1 存储原理USB 端口负责连接电脑，是数据输
6、入或输出的通道；主控芯片负责各部件的协调管理和下达各项动作指令，并使计算机将 U 盘识别为“ 可移动磁盘”，是U 盘的“大脑 ”；FLASH 芯片与电脑中内存条的原理基本相同，是保存数据的实体，其特点是断电后数据不会丢失，能长期保存；PCB 底板是负责提供相应处理数据平台，且将各部件连接在一起。当 U 盘被操作系统识别后，使用者下达数据存取的动作指令后，USB 移动存储盘的工作便包含了这几个处理过程。当一个 USB 设备插入主机时，识别出 USB 设备是一个支持 Bulk-Only 传输协议的海量存储设备。这时应可进行 Bulk-Only 传输方式。在此方式下 USB与设备之间的数据传输都是通
7、过 Bulk-In 和 Bulk-Out 来实现的。在这种传输方式下，有三种类型数据在 USB 和设备传送，它们是命令块包（CBW） ，命令执行状态包（CSW ）和普通数据包。CBW 是主机发往设备的命令。当设备从主机收到 CBW 块以后，它会把 SCSI 命令从 CBW 中分离出来，然后根据要求执行，执行的结果又以 CSW 的形式发给主机。由于 USB 设备硬件本身的原因，它会使 USB 总线的数据信号线的电平发生变化，而主机会经常扫描 USB 总线。当发现电平有变化时，它即知道有设备插入。USB 设备它本身会初始化，并认为地址是 0。也就是没有分配地址，这有点像刚进校的大学生没有学号一样。
8、正如有一个陌生人闯入时我们会问“你是什么人” 一样，当一个 USB 设备插入主机时，它也会问：“ 你是什么设备 ”。并接着会问，你使用什么通信协议等等。当这一些信息都被主机知道后，主机与 USB 设备之间就可以根据它们之间的约定进行通信。在源极和漏极之间电流单向传导的半导体上形成贮存电子的浮动棚。浮动栅包裹着一层硅氧化膜绝缘体。它的上面是在源极和漏极之间控制传导电流的选择/ 控制栅。数据是 0 或 1 取决于在硅底板上形成的浮动栅中是否有电子。有电子为 0，无电子为 1。闪存就如同其名字一样，写入前删除数据进行初始化。具体说就是从所有浮动栅中导出电子。即将有所数据归“1” 。写入时只有数据为
9、0 时才进行写入，数据为 1 时则什么也不做。写入 0 时，向栅电极和漏极施加高电压，增加在源极和漏极之间传导的电子能量。这样一来，电子就会突破氧化膜绝缘体，进入浮动栅。读取数据时，向栅电极施加一定的电压，电流大为 1，电流小则定为 0。浮动栅没有电子的状态（数据为 1）下，在栅电极施加电压的状态时向漏极施加电压，源极和漏极之间由于大量电子的移动，就会产生电流。而在浮动栅有电子的状态（数据为 0）下，沟道中传导的电子就会减少。因为施加在栅电极的电压被浮动栅电子吸收后，很难对沟道产生影响。USB 的这些信息是通过描述符实现的，USB 描述符主要包括：设备描述符，配置描述符，接口描述符，端点描述符
10、等。当一个 U 盘括入主机时，你立即会发现你的资源管理器里多了一个可移动磁盘。这里就有两个问题，首先主机为什么知道插入的是移动磁盘，而不是键盘或打印机等等呢？另外在Win2000 下为什么还知道是哪个公司生产的呢？其实这很简单，当 USB 设备插入主机时，主机首先就会要求对方把它的设备描述符传回来，这些设备描述符中就包含了设备类型及制造商信息。又如传输所采用的协议是由接口描述符确定，而传输的方式则包含在端点描述符中。U 盘原理的存储是:计算机把二进制数字信号转为复合二进制数字信号（加入分配、核对、堆栈等指令）读写到 USB 芯片适配接口，通过芯片处理信号分配给 EPROM2 存储芯片的相应地址
11、存储二进制数据，实现数据的存储。2.2 USB 设备分类可分为显示类，通信设备类，音频设备类，人机接口类，海量存储类。特定类的设备又可分为若干子类，每一个设备可以有一个或多个配置，配置用于定义设备的功能。配置是接口的集合，接口是指设备中哪些硬件与 USB 交换信息。每个与 USB 交换信息的硬件是一个端点。因此，接口是端点的集合。U 盘应属于海量存储类。USB 海量存储设备又包括通用海量存储子类，CDROM，Tape 等，U 盘实际上属于海量存储类中通用海量存储子类。通用海量存储设备实现上是基于块/扇区存储的设备。USB 组织定义了海量存储设备类的规范，这个类规范包括 4 个独立的子类规范。主
12、要是指 USB 总线上的传输方法与存储介质的操作命令。海量存储设备只支持一个接口，即数据接口，此接口有三个端点 Bulk input ,Bulk output,中断端点。这种设备的接口采用 SCSI-2 的直接存取设备协议，USB 设备上的介质使用与 SCSI-2 以相同的逻辑块方式寻址。三展望半导体厂商努力地将各种闪存盘的功能集成在单一芯片中，以降低闪存盘组件的成本，于是也降低了整体的成本。在增加容量的努力方面，已经不再制造 1GB 与更小的闪存盘了。 Kanguru最近发表了一款 16GB 的 USB2.0 闪存盘，并且宣称能够保存数据 10 年。Lexar正在尝试引入一种 USB 快闪 存储卡。它兼容于 U 盘，并且被希望能够取代各种快闪存储卡。闪迪发表了能够在闪存盘上控制使用有版权数据的新科技。这种科技主要的用户是学生。这种科技称为 FlashCP。金士顿科技已研制出了目前世界上储存容量最大的闪存盘，高达 512GB。在今后的发展中，信息时代科学技术的迅猛发展，必将伴随着新一轮的 U盘发展、变革，使得 U 盘的结构和功能越来越便捷化、人性化。
