USB-Stick

Periphere Speichermedien
Flashspeicher
am Beispiel des USB-Stick
17. Februar 2005
Markus Thanner
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Inhalt
1. Beispiele verschiedener Flash-Speicher
2. USB-Stick und allgemeine Flash-Speichermerkmale
2.1 USB-Schnittstelle
2.2 Merkmale und Eigenschaften von USB-Sticks
2.3 Aufbau des USB-Sticks
2.4 allgemeine Flash-Speichermerkmale
3. Flash-Speicherprinzip und Aufbau eines Flashs
3.1 Speicherprinzip
3.2 Aufbau
4. Fazit
2
Beispiele für Flash-Speicher
3
USB-Schnittstelle
Universal Serial Bus (standardisierte Schnittstelle)
 USB 1.0 wurde 1995 entwickelt von:
Compac, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC, NorTel (Northern Telecom)
 Anschluss von Peripherie-Geräten am PC (vereinfacht , vereinheitlicht)
 „hot-plug“ und „hot-unplug“ – Ein- und Ausstecken während Betrieb
 keine Treiberinstallation für: Windows ME, 2000, XP und neuere LinuxSysteme
 3 Geschwindigkeitsklassen

Low Speed : 1,5 MBit/s
 Full Speed : 12 MBit/s
 High Speed : 480 MBit/s  USB 2.0
4
USB-Schnittstelle
unterschiedliche Prioritäten
 Daten in Echtzeit, keine Unterbrechung
 Interrupt-Übertragungen
 Massentransfergeräte
- höchste
- mittlere
- niedrigste
Strom- und Spannungsversorgung
 Low Power Class:


weniger als 100 mA
High Power Class:

eigene Stromversorgung
 an USB-Hub mit Stromversorgung anschließen

Datenübertragung von PC zu PC mit einem USB-Link-Kabel möglich
5
USB-Schnittstelle: Topologie
durch USB-Hubs und Kaskadierung bis zu 127 Geräte anschließbar
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USB-Stick: Merkmale und Eigenschaften
USB-Flash-Sticks , USB-Memory-Sticks
 gehören zu portablen Massenspeichern
 Diskettenersatz
 elektronischer Speicherbaustein, der als Stecker an einen Port der
USB angeschlossen wird
 Einbindung als weiteres Laufwerk in die Verzeichnishierarchie (durch
das Betriebssystem)
 Abziehen des USB-Sticks während des Datentransfers



Datenverlust
eventuell Beschädigung
deshalb:


Abmelden auf dem Betriebssystem
Status-LED (light emitting diode)
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USB-Stick: Merkmale und Eigenschaften


direkte Lese und Schreibzugriffe
für USB 1.1 , USB 2.0


USB 2.0-Stick


auf- und abwärtskompatibel
maximale Datenübertragungsrate
 theoretisch: 480 MBit/s
 praktisch: 32 MBit/s
 bei Parallelschaltung der Speicherbausteine:
Verdopplung , Vervierfachung der Datentransferrate
arbeitet mit Flash-Speicher-Technologie
8
Aufbau

einige verschiedene Bauformen der USB-Sticks
9
Aufbau

4 Bestandteile in jedem USB-Stick
(1) USB-Anschluss
(2) Steuerchip / USB-Controller
(3) Flash-Speicher Flash-EEPROM
(4) optionaler Status-LED (nicht zwingend erforderlich)
10
USB-Anschluss


Kommunikation zwischen PC und USB-Stick - Datenübertragung
Stromversorgung
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Steuerchip / USB-Controller



kommuniziert mit dem USB-Host-Controller im PC
zuständig für die Ansteuerung des Flash-Speichers
enthält Informationen die das Betriebssystem zur Erkennung und
Installation benötigt


z.B.: Gerätetyp u. Hersteller
herstellerabhängige Funktionen sind implementiert

z.B.: MP3-Player
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Flash-Speicher - Allgemeines

nicht flüchtiger Halbleiterspeicher


Lebensdauer: ca. 300000 Schreib- und Löschzyklen



Speicherinhalt bleibt im spannungslosen Zustand erhalten
z.B.:100 Schreibvorgänge pro Tag ergibt Lebensdauer von über 8 Jahren
Speicherzeit laut Hersteller: 10 Jahre
Zugriffszeit: ca. 100 ns
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Flash-Speicher - Allgemeines
Für den Flash-Speicher spricht besonders:




hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber groben Erschütterungen und
Umwelteinflüssen
niedriger Energieverbrauch
kostengünstig
klein und leicht
deshalb: ideal zum Austausch von Daten &
Wiedergabemedium für Musik, Bilder und Video
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Flash-ROM, Flash-EEPROM

Flash - EEPROM

Flash Electrically Erasable Progammable Read Only Memory
 „schneller elektrischer lösch- und programmierbarer Nur- Lese- Speicher“


oft bezeichnet als Flash-ROM (irreführend ROM – kann natürlich auch
beschrieben werden)
semipermanente Speicher
(semipermanente Speicher sichern die Informationen dauerhaft,
lassen aber Veränderungen in gespeicherten Daten zu)

beliebiges Schreiben und Löschen
 Datenerhalt über mehrere Jahre auch ohne Stromversorgung
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Flashspeicherprinzip


300000 Schreibzyklen
Schreiben und Löschen nur möglich durch Spannungsversorgung
(1.8 V – 5 V )

durch USB-Schnittstelle (an Computern ab 4 Jahren normalerweise
vorhanden ; auch nachrüstbar durch PCI-Steckkarte)
kleiner - schneller – besser



ein Flash ist wesentlich
kleiner als eine 55 Cent-Briefmarke
1995 – 5 V Betriebsspg. nötig
2003 – 1.8 V Betriebsspannung
16
Registerweise Speicherung

Dateigröße / 64 kB = Anzahl der Register
Beispiel:
Datei ca. 240 kB
Startadresse: 0010000h – Register 2
 benötigte Register für Datei:
2,3,4 & 5
 zum Entfernen der Datei
werden die Register
2 – 5 gelöscht
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Registerweise Speicherung
Speicher- Lösch und Lesealgorithmen sind vom Hersteller auf den
USB-Stick implementiert
=> bekannte Windows-Ordner-Struktur
 FAT16
 FAT32
 NTFS
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Flash-EEPROM


Registerweise Speicherung von Dateien
jedes Bit wird einzeln gespeichert
Speichergröße = Summe der Daten ?
1MB = 1024 KB (16 x 64 kB = 1024 kB)
10 Dateien a 96 kB  960 kB
960 kB < 1024 kB
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Flash-EEPROM


Registerweise Speicherung von Dateien
jedes Bit wird einzeln gespeichert
(8 x 96 kB = 768 kB)
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Aufbau eines Flashspeichers


EEPROM besteht aus Feldeffekt-Transistoren MOS-FETs
1 Register  65536 FETs (65536 Bits, 64 kB ; 2 16)
USB-Stick mit 256 MB  4096 Register (256 x 1024)
 268.435.456 FETs
(256 x 1024 x 1024)
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Transistor

bestehten aus 2 Materialien


eines positiv , eines negativ geladen
(Dotierung: Erhöhung der naturgegebenen Ladungen)
das negativ geladene wird an beiden Enden des positiven
aufgedampft

Kollektor und Emitter sind negativ
 Basis ist positiv
Halbleitertechnik
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Halbleitertechnik im Flash
FETs im Flash


alle 65.536 FETs eines Registers werden gleichzeitig beschrieben
Unterscheidung ob „1“ oder „0“:
zwei sich überlagernde Felder an den Gates
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Fazit: Nachteile des USB-Sticks
kompakte Bauform erhöht
 Verlust
 Diebstahl
wachsende Kapazität ermöglicht
 Unterbringung eines Betriebssystems

Abrufen personbezogener Daten
 Booten vom USB-Stick möglich



unbefugtes Speichern von Datenbeständen
begrenzte Anzahl von Schreibzyklen
Einschleusen von Viren in ein Firmennetz
24
Preise der USB-Sticks
heutige USB-Sticks (USB 2.0)
 bis 64 MB – 9 € (auch Werbegeschenke)

128 MB – günstigster ab 12 €

256 MB – ab 21 €

512 MB – 38 €

512 MB – 79 € mit: MP3- u. WMA- Player, Radio und Diktiergerät
 1024 MB (1 GB) – 72 €
 2048 MB (2 GB) – 90 €
 4096 MB (4GB) – 340 €
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Entwicklung der USB-Sticks
die Größe hat sich geändert
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Blick in die Zukunft
Fakt:
 „Solid Alliance“ bringt Mitte 2005 einen USB-Stick mit 8 GB
Speicherkapazität auf den Markt
Konkurenz für die CD ?
 Speichergröße bald Standart 2 GB
 USB-Anschluss an neuen HiFi-Verstärkern
Konkurrenz für externe und interne Festplatten
 durch immer größer werdende Speicherkapazität
 keine rotierende Scheibe
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Fazit
es wird noch viel geschehen !
Links
USB-Stick-Beispiel: 256 MB
 http://www.trekstor.de/produkte/usb-sticks/pdf/USB-Stick-2-CS.pdf
Zukunft
 http://futurezone.orf.at/futurezone.orf?read=detail&id=261678
USB-Topologie usw.
 http://www.elektronik-kompendium.de/sites/com/0312021.htm
USB-Steckerbelegung
 http://www.elektronik-kompendium.de/sites/com/0902081.htm
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Quellen










http://www.computerbase.de
http://www.tecchannel.de
http://graphics.cs.uni-sb.de
http://usb.de/ads/usb_de.php
http://www.pctipp.ch/helpdesk/kummerkasten/archiv/div/25888.asp
http://www.usb-infos.de
http://de.wikipedia.org
http://www.heise.de/ct
http://www.de.tomshardware.com
http://www.linux-usb.org
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ENDE
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit !
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