USB spominski kljuc

Primoz Cigler

Ljubljana, maj 2011

1

Povzetek

USB spominski kljuci so sele pred nedavnim izrinili prakticno vse ostale napraveza prenos podatkov, saj so majhni, lahki, vzdrzljivi in kompatibilni z vsemi operaci-jskimi sistemi. Ta clanek opisuje delovanje USB spominskih kljucev.

1 Uvod

USB spominski kljucki so relativno nove elektronske naprave, saj se je prvi USBkljuc na trgu pojavil konec leta 2000, s kapaciteto 8 megabajtov. Takrat je takapaciteta vec kot petkrat presegla najbolj razsirjene 3,5-palcne diskete, vendar sobili prvi komercialni produkti se dragi in nerazsirjeni.

Danasnji USB kljuci dosegajo kapacitete vec kot 100 gigabajtov. Na njih jemogoce (pre)pisati digitalne podatke po navadi do 10,000-krat, kar je precej vec,kot je zivljenska doba plasticnega USB prikljucka. Glavne prednosti bliskovnegapomnilnika1 pred ostalimi vrstami medijev za digitalno shranjevanje so predvsem:

• USB spominski kljuc nima premicnih delov, zato deluje neslisno.

• V primerjavi s CD in DVD mediji je mozno nanj enostavno shranjevati, do-dajati in brisati podatke, podobno kot na trdi disk racunalnika in (obicajno)ne potrebuje dodatnega programskega orodja za delovanje.

• So lahki in majhni, kar je predvsem prakticno zaradi prenosljivosti.

• Zelo robustni - odporni na pritiske, padce, nekateri tudi na prah, vodo, . . .

USB spominski kljuci uporabljajo standard “USB mass storage”, ki je av-tomatsko podprt na vseh glavnih operacijskih platformah. Ta standard omogocaprenos podatkov med kljucem in racunalnikom. Naprava za delovanje uporabljanapetost, ki jo dobi preko USB vhoda iz racunalnika. Ta napetost je potrebna, kopisemo, brisemo ali prepisujemo na kljuc, sicer pa za ohranjanje podatkov napravane potrebuje dodatnega vira napetosti.

Slika 1: USB kljuc. Vir: [3]

1ang. flash memory

2

2 Delovanje

Tehnologija delovanja USB spominskih kljucev se je razvila iz EPROM in EEP-ROM tehnologij. Na zacetku je bilo mogoce na taksna vezja shranjevati podatke,vendar ni bilo mogoce nanje naknadno dodajati novih, ne da bi pri tem izbrisali vsoobstojeco vsebino s cipa. Kasneje so razvili EEPROM vezja sestavljena iz manjsihblokov, ki so med seboj neodvisna, kar pomeni da lahko zbrisemo le majhen delspomina in tja prepisemo nove podatke.

Slika 2: Shema tranzistorja na poljski pojav. Vir: [8]

USB spominski kljuci tako kot mnogo drugih naprav uporabljajo bliskovni pom-nilnik. Osnovni element takega pomnilnika, ki lahko hrani logicno enko ali niclo,je tranzistor na poljski pojav (slika 2). Tak tranzistor ima dvojna vrata. Na vrhuso kontrolna vrata, spodaj pa plavajoca vrata2, izolirana z vseh strani z oksidnoplastjo. Zaradi izolacije so elektroni, ki se nahajajo v plavajocih vratih, ujeti in senaboj v normalnih pogojih ne pretoci nikamor tudi po vec let. Naboj v plavajocihvratih ustvari elektricno polje, ki vpliva na kontrolna vrata, ta pa vplivajo na mejnonapetost tranzistorja. Pri branju podatkov pripeljemo napetost na kontrolna vratain pri tem postane polprevodnik NPN pod plavajocimi vrati prevoden ali pa ne,odvisno od naboja, ki je ujet v plavajocih vratih. Pri tem dobimo na izhodu3

logicno 0 ali 1.

2.1 Pisanje podatkov v spomin

V osnovnem stanju je vsak tranzistor ekvivalenten binarni logicni enki, ker botok tekel preko NPN polprevodnika. Logicno niclo lahko nastavimo z naslednjimikoraki:

1. Na kotrolna vrata pripeljemo visjo napetost kot za branje (po navadi vecjokot 5 V).

2. Preko polprevodnika sedaj lahko stece elektricni tok.

2ang. floating gate3ang. bit line

3

3. Ce je napetost med polprevodnikom, kjer tece tok in plavajocimi vrati dovoljvisoka, lahko elektroni z dovolj veliko energijo tunelirajo skozi tanko izolacijskoplast in tako ostanejo ujeti v plavajocih vratih.

2.2 Brisanje spomina

Da tranzistor spet spravimo v osnovno stanje (1), moramo med kontrolnimi vratiin polprevodnikom pritisniti obratno napetost, kot za pisanje nicle ali branje, takoda elektroni tunelirajo iz plavajcih vrat nazaj v polprevodnik. Moderni bliskovnicipi so narejeni iz manjsih segmentov, saj ne moremo brisati le enega tranzistorja,pac pa lahko brisemo le celoten blok, preden lahko spet zapisemo podatke.

3 USB spominski kljuc

Slika 3: Razstavljen USB spominski kljuc. Vir: [9]

USB spominski kljuc je sestavljen iz naslednjih bistvenih delov (oznacemo sstevilkami na sliki 3):

• (1) Moski USB prikljucek tipa A omogoca fizicno povezavo z racunalnikom.

• (2) “USB mass storage controller” poskrbi, da racunalnik zazna napravo kotzunanji disk za shranjevanje podatkov. Vsebuje tudi lokalni pomnilnik ROMin RAM USB kljuca.

• (4) Bliskovni pomnilnik, v katerem se nahajajo tranzistorji na tunelski pojav,ki vsebujejo vse podatke, shranjene na kljucu.

• (5) Quartzov oscilator (ura), ki poskrbi, da se pri branju in pisanju podatkipisejo v pravilnem zaporedju.

4

Neobvezni deli so se:

• (3) Testni prikljucki

• (6) Svetleca dioda za vizualno reprezentacijo pisanja/branja na USB spomin-ski kljuc

• (7) Stikalo za onemogocanje branja/pisanja na kljuc

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: http://en.wikipedia.org/wiki/USB mass storage device class (12. 5.2011)

[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