Рассмотрим устройство типичных флэш накопителей для лучшего понимания возможных неисправностей.

Как правило, флэшки – это не такие сложные устройства, и состоят они из следующих основных частей:

1. – печатная плата небольшого размера;
2. – припаянный на печатную плату USB разъём типа А;
3. – стабилизатор для питания флэш памяти и контроллера на 5 и 3,3 вольт;
4. – непосредственно микросхема контроллера (связь между микросхемой памяти и разъемом USB);
5. – собственно микросхема энергонезависимой NAND памяти;
6. – резонатор кварцевый, (на 12 MГц - на схеме не показан).
Типичные неисправности – исходя из элементов конструкции:

Печатная плата – многослойная основа устройства – именно на нее и устанавливаются все элементы флэш накопителя. Основные неисправности: часто - некачественная пайка, обрывы внутренних проводников при механических повреждениях таких как: удар или изгиб. Проявления: нестабильная работа флэш-памяти.

USB разъём – Непропайка контактов. Проявление: флэш-память то определяется, то нет.

Стабилизатор – Служит для конвертации и стабилизации напряжения поступающего из компьютера - в напряжение приемлемое для работы контроллера и флэш-памяти. Проявление: флэшка не определяется, определяется системой как неопознанное устройство. Выходит из строя при неправильном подключении USB разъёма.

NAND микросхема – микросхема энергонезависимой памяти. Проявление: повреждение случайных, отдельных блоков памяти (бед блоки), связано со старением или по другим причинам, основные симптомы - невозможность записи или чтения, как правило, лечится форматированием с использованием фирменной утилиты, с уменьшением общего размера флэш.

Контроллер – устройство управления энергонезависимой NAND памятью и передачей данных. В контроллере хранятся данные о типе микросхемы памяти NAND, о производителе и др. специальная информация для нормальной работы флэш накопителя. Проявление: флэш-память определяется как неизвестное устройство, устройство имеет нулевой или заниженный объём памяти. Часто горит при извлечении в «горячем» режиме. Помогает перепрограммирование контроллера с использованием фирменных утилит.

В данной статье кратко описаны преимущества современных флэш-дисков и рассматривается микросхема контроллера, на основе которой можно создавать устройства флэш-памяти с интерфейсом USB. Кроме того, автор данной статьи предлагает собственный вариант практической реализации такого устройства.

Введение

В настоящее время устройства флэш-памяти приобрели большую популярность и завоевали всеобщее признание пользователей персональных компьютеров. Это стало возможно благодаря таким качествам накопителей данного типа, как компактность, малое энергопотребление, большой объем памяти, отсутствие движущихся частей, высокая надежность и простота использования. Самое широкое распространение получил вариант исполнения «memory stick» - память-палочка (рис. 1).

Кроме того, флэш-диски выпускаются в виде брелоков, авторучек, складных ножей, зажигалок, пластиковых карточек, наручных часов и т. п. (рис. 2).

Подобные варианты исполнения появились ради удобства пользования, для того, чтобы флэш-память была всегда под рукой, скрытно размещаясь в привычных предметах нашего быта. Все эти устройства имеют встроенный интерфейс USB, который обеспечивает связь флэш-диска с компьютером для записи и чтения данных. Флэш-диски гораздо удобнее и практичнее привычных, но морально устаревающих дискет, не говоря уже о гораздо большем объеме памяти и надежности хранения информации, чем у последних.

Существует также отдельная группа флэш-памяти в виде карточек, которые являются сменными носителями информации и вставляются в цифровые фотоаппараты, видеокамеры и даже в сотовые телефоны. К их числу относятся такие карточки, как CF (Compact Flash), MMC (Multi Media Card), SD (Secure Digital), XD (XD-Picture Card) и др. Эти накопители информации не имеют встроенного интерфейса USB и поэтому для связи с компьютером используют интерфейс устройства, в которое они включаются. Как правило, это тот же интерфейс USB или FireWire. Кроме того, для удобства пользования такими карточками уже созданы различные адаптеры, имеющие интерфейс USB для подключения к компьютеру и соединители для подключения флэш-карточек (рис. 3).

Благодаря таким адаптерам флэш-карточки могут быть использованы как миниатюрные автономные носители информации с объемом памяти в сотни мегабайт.

Несмотря на то, что в настоящее время вмире существует множество производителей флэш-дисков и всевозможных адаптеров для флэш-карточек, продолжается разработка новых видов и вариантов исполнения данных устройств. И на то есть веские причины. Все чаще и все большему количеству людей приходится работать с информацией. Это и обычные электронные документы, создаваемые в редакторах, и справочные данные, и различная конфиденциальная информация в виде логических имен и паролей для электронных почтовых ящиков и т. п. Кроме информации, флэш-диски могут хранить разные полезные программы, сканированные документы, электронные фотографии, музыку и даже фильмы. А присутствие интерфейса USB практически во всех современных компьютерах и его высокая скорость передачи данных позволяют сделать перенос информации с помощью флэш-дисков простой, удобной и быстрой операцией.

Многие отечественные предприятия, занимающиеся разработкой и производством электронной техники, могут наладить собственное производство подобных флэш-накопителей или внедрять их в собственные изделия. Ведь в настоящее время стоимость комплектующих для флэш-диска объемом 128 Мбайт составляет уже около $10, в то время как рыночная цена такого изделия может превышать $20. Кроме того, многочисленная армия любителей электроники вполне может самостоятельно изготовить простейший вариант флэш-диска для собственных нужд.

Обзор контроллеров

В настоящее время существует несколько производителей контроллеров флэш-памяти с интерфейсом USB 2.0 (USB 2.0 Flash Drive Controller). Например, компания Genesys Logic производит контроллер GL814E, а фирма SMSC - USB97C242. В начале 2004 года фирма Sigmatel анонсировала новый контроллер флэш-памяти STBD2010. В отличие от вышеназванных, данный контроллер максимально интегрирован и включает в себя все необходимые компоненты для построения готового устройства флэш-памяти с минимальным набором внешних элементов. Кроме того, он имеет современный малогабаритный корпус (рис. 4), что позволяет создавать на его основе миниатюрные устройства памяти.

При этом цена микросхемы составляет всего $1,7. Единичные образцы данного контроллера можно заказать на сайте компании-производителя (www.sigmatel.com).

Контроллер имеет две модификации: STBD2010 и STBD2011. Последняя модификация имеет некоторые преимущества перед первой. Поскольку обе модификации контроллеров имеют одинаковую структуру и полностью совместимы по выводам корпуса, здесь приводится обзор для обеих моделей контроллера с указанием отличий.

Вначале рассмотрим основные характеристики контроллера. Контроллер STBD2010/2011 имеет встроенный интерфейс USB и полностью совместим со спецификацией USB 2.0 для высокоскоростных операций. Он обеспечивает управление микросхемами флэш-памяти с архитектурой NAND. Имея очень маленький размер корпуса, контроллер позволяет создавать устройства с миниатюрными размерами. Встроенный в контроллер интерфейс внешней флэш-памяти обеспечивает обслуживание от одной до четырех микросхем памяти с 8- и 16-битной организацией шины данных. Объем каждой из четырех микросхем памяти может достигать 2 Гбит. Таким образом, суммарный объем поддерживаемых контроллером микросхем памяти может достигать 8 Гбит. Контроллер обладает свойством автоматического конфигурирования типа памяти и обеспечивает поддержку следующих типов микросхем флэш-памяти:

флэш-память NAND с технологией Binary или SLC (Single Level Cell);
флэш-память NAND с технологией MLC (Multi-Level Cell) (только STBD2011);
флэш-память AG-AND (только STBD2011).

К числу изготовителей подобных типов микросхем памяти относятся такие известные фирмы, как Samsung, Toshiba, SanDisk, ST Microelectronics и др.

Контроллер обладает блоком аппаратной коррекции ошибок (ECC), что обеспечивает достоверность переносимых данных без необходимости дополнительной программной обработки данных.

Встроенный в контроллер регулятор напряжения обеспечивает подключаемые микросхемы флэш-памяти необходимым для них напряжением питания 3,3 и 1,8 В без использования внешних стабилизаторов напряжения и других дополнительных элементов. Входным источником питания для контроллера служит источник напряжения 5 В интерфейса USB.

Для синхронизации всех процессов внутри контроллера имеется встроенный синтезатор частот, который работает совместно с внешним кварцевым резонатором, задающим тактовую частоту 24 МГц.

Контроллер STBD2010/2011 не требует никакого дополнительного программного обеспечения в своей работе и допускает использование на компьютерах с операционными системами MAC OS, Windows МE/2000/XP. Кроме того, для более ранней версии Windows 98 SE на сайте компании www.sigmatel.com свободно доступен драйвер контроллера STBD2010/2011.

Рассмотрим структурную схему контроллера (рис. 5).

Как видно из структуры контроллера, в его состав входят блоки для поддержки интерфейса USB и работы с флэш-памятью. Протокол интерфейса USB и флэш-памяти поддерживается встроенным микроконтроллером High Performance Microcontroller, который использует для своей работы встроенную постоянную память программ ROM и оперативную память RAM. Поддержка интерфейса USB осуществляется с помощью блока высокоскоростного приемопередатчика USB2.0 Hi-Speed Transceiver и устройства управления USB2.0 Hi-Speed Device Controller. Внутренний синтезатор частот PLL обеспечивает необходимую синхронизацию работы всех внутренних устройств с помощью внешнего кварцевого резонатора на 24 МГц. Блок GPIO обеспечивает внешнее управление и индикацию режима работы контроллера. Связь контроллера с флэш-памятью осуществляется через интерфейс памяти Flash Memory Interface. Встроенный регулятор напряжения Voltage Regulators формирует из входного напряжения 5 В, поступающего от интерфейса USB, необходимые для работы ядра контроллера и внешних микросхем памяти напряжения питания 3,3 и 1,8 В.

Контроллер выпускается в современном малогабаритном 48-выводном корпусе типа QFN размером всего 77 мм.

В таблице 1 приведены основные эксплуатационно-технические характеристики данной микросхемы.

Таблица 1. Эксплуатационно-технические характеристики микросхемы

Типовая структурная схема подключения микросхем памяти к контроллеру показана на рис. 6.

Практическая реализация

Принципиальная электрическая схема устройства, разработанная автором данной статьи, приведена на рис. 7.

В этой схеме используется описанная выше микросхема контроллера D1 и всего одна микросхема флэш-памяти D2.

Перечень элементов устройства с указанием типа применяемых электронных компонентов, их номиналов и типов корпусов приведен в таблице 2.

Таблица 2. Перечень элементов

Вместо микросхемы флэш-памяти D2 может быть использована микросхема с меньшим объемом памяти. При использовании всех 16 разрядов ввода-вывода контроллера в устройстве можно применить микросхемы памяти с 16-разрядной шиной данных. Это повысит скорость обмена с микросхемами, но несколько усложнит топологию печатной платы.

Напряжение питания поступает на устройство от интерфейса USB через разъем X1. Элементы L1, CP1 и C1 обеспечивают фильтрацию этого напряжения по высокой и низкой частоте. Контроллер D1 формирует из него напряжения питания 3,3 и 1,8 В, необходимые для питания ядра самого контроллера, а также для питания микросхем памяти. Дополнительную фильтрацию напряжений питания осуществляют блокировочные конденсаторы C4–C6. Переключатель SA1, который управляет выводом GP1 контроллера, позволяет запретить запись в микросхемы памяти с целью защиты информации от стирания. Вывод контроллера GP0 управляет через ограничительный резистор R7 светодиодом HL1, отвечающим за индикацию режима работы контроллера (хранение-обращение). Резисторы R1 и R2 обеспечивают согласование входов контроллера с дифференциальными сигналами DM и DP интерфейса USB. Остальные резисторы устройства служат в качестве опорных сопротивлений, подтягивающих уровни сигналов контроллера к напряжению питания или к заземляющему потенциалу. Кварцевый резонатор BQ1 совместно с конденсаторами C2 и C3 обеспечивает формирование задающей частоты контроллера 24 МГц.

Схема не требует наладки и при правильной сборке начинает работать сразу при подключении устройства к интерфейсу USB компьютера. При первом подключении операционная система компьютера обнаружит новое устройство и произведет установку необходимых для его работы драйверов в автоматическом режиме. В дальнейшем устройство будет включено в состав компьютера в качестве сменного диска, с которым можно осуществлять любые операции чтения, записи и стирания информации, как с обычным жестким диском.

Здравствуйте друзья мои. Сегодня мы не будем рассматривать какие-то схемы определенных конструкций, тема на сегодня так называемая самодельная флешка. Некоторые конечно могут не поверить, что это возможно в домашних условиях, и правильно делают, поскольку это достаточно сложно и сделать дома без специального оборудования практически не возможно. Но умные люди давно придумали карту памяти для мобильных телефонов. В магазинах легко можно найти переходник при помощи которого карту памяти можно подключить к компьютеру через usb порт. Такой адаптер стоит всего 2 доллара.

Работает устройство очень просто - всего лишь нужно поставить карту памяти в определенное место на адаптере, а сам адаптер выполнен в виде юсб штекера который только нужно подключить к юсб порту ПК. Для нашей самодельной флешки под рукой нужно иметь именно такой адаптер с картой памяти от мобильного телефона и еще один штекер или соответствующий пластмассовый корпус для юсб.

Затем адаптер помещаем в кожух штекера и закрываем крышку и смотрим что у нас получилось.

Теперь это похоже на обрезанный юсб штекер, но никто даже не заподозрит, что там есть накопитель памяти! Теперь пришла очередь схематики. Проводов там 4, заранее снимаем небольшую часть изоляцию от проводов и залуживаем их. Далее берем пару новеньких деталей (лучше взять испорченные, но чтобы с виду были как новые) и паем их друг к другу. Тут конкретной схемы нет, паяйте что куда хотите, конструкция просто должна выглядеть как схема, она конечно работать не будет! Использовать можно конденсаторы, резисторы, полярные и неполярные конденсаторы и пару транзисторов, как известно некоторые флешки имеет сзади встроенный светодиодный индикатор, можно получить имитатор такого индикатора, чтобы наша самодельная флешка выглядела правдоподобно и не вызывала сомнения.

Для этого к статье прикреплена распаковка юсб гнезда и штекера, по боковым каналам подается питание которое нужно подключить к нашим проводам, затем собрать простейшую схему мигалки для одного светодиода, в таком случае у нас остаются еще два свободных провода к которым можно прицепить заранее изготовленную <блеф> схему накопителя памяти. Итак, подведем итоги - у нас получился довольно интересная конструкция, при подключении к usb порту компьютера светодиод начнет мигать и у посторонних он вызовет ощущение, что подключена флешка, но они удивятся больше когда компьютер будет уведомлять, что к нему подключен накопитель памяти! Да уж все станут верить что вы гений и попросят схему такой простейшей чудо флешки. Старайтесь сделать схему подключения деталей как можно запутанной, чтобы даже мастер на заподозрил в чем тут обман. Ну вот и все, подобные интересные вещицы можете увидеть в дальнейших статьях, до свидания друзья - Артур Касьян (АКА).

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.

USB флешка

Обзор контроллеров

В настоящее время существует несколько производителей контроллеров флэш-памяти с интерфейсом USB 2.0 (USB 2.0 Flash Drive Controller). Например, компания Genesys Logic производит контроллер GL814E, а фирма SMSC - USB97C242. В начале 2004 года фирма Sigmatel анонсировала новый контроллер флэш-памяти STBD2010. В отличие от вышеназванных, данный контроллер максимально интегрирован и включает в себя все необходимые компоненты для построения готового устройства флэш-памяти с минимальным набором внешних элементов. Кроме того, он имеет современный малогабаритный корпус (рис. 1), что позволяет создавать на его основе миниатюрные устройства памяти.

флэш-память NAND с технологией Binary или SLC (Single Level Cell);
флэш-память NAND с технологией MLC (Multi-Level Cell) (только STBD2011);
флэш-память AG-AND (только STBD2011).

Рассмотрим структурную схему контроллера (рис. 2).

Контроллер выпускается в современном малогабаритном 48-выводном корпусе типа QFN размером всего 77 мм.

В таблице 1 приведены основные эксплуатационно-технические характеристики данной микросхемы.

Таблица 1.

Типовая структурная схема подключения микросхем памяти к контроллеру показана на рис. 3.

Практическая реализация

Принципиальная электрическая схема устройства, разработанная автором данной статьи, приведена на рис. 4.

В этой схеме используется описанная выше микросхема контроллера D1 и всего одна микросхема флэш-памяти D2.

Таблица 2.