Текст книги "Компьютер на флешке. Работающие Windows, Linux, Офис и 150 самых полезных программ у вас в кармане"

Автор книги: В. Королев

Соавторы: Р. Прокди,Д. Горячев,Д. Колисниченко
сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 13 страниц)

Королев В. Д. Колисниченко Д. Н. Горячев Д. П. Прокди Р. Г.
при содействии авторско-редакторской группы ПРОКДИ
Компьютер на флешке
Работающие Windows, Linux, Офис и 150 самых полезных программ у вас в кармане
(книга + DVD со всеми программами, дистрибутивами, видеокурсом!)

Часть I.
Флешка на 100%. Основы грамотного и эффективного пользования flash-дисками

Глава 1
Флешка: что это такое, особенности использования, любопытные факты

1.1. Как это все начиналось

Несмотря на то, что флешки, в нашем сегодняшнем понимании, появились достаточно недавно, сама технология, лежащая в основе этих миниатюрных устройств хранения данных, увидела свет еще в 1984 г. в стенах компании Toshiba. Надо признаться, что Toshiba вообще является родоначальником многих передовых технологий, в частности компакт-дисков нового поколения HD DVD. Но если технологию HD DVD постигла печальная участь (на рынке победила альтернативная технология Blue Ray от компании Sony), то в случае со флешками мы наблюдаем прямо противоположную картину. Эти штуковины встречаются практически на каждом шагу и имеются практически у каждого человека, мало-мальски пользующегося электронной техникой. Помимо обычного карманного носителя информации не стоит забывать о роли «электронной фотопленки», которую флешки играют в цифровых фото– и видеокамерах (частично). Короче, все движется к тому, что вскоре накопители данных на основе флеш-технологии будут преобладать на рынке. Уже сейчас выпускаются флешки объемом 32 и 64 Гб. А то ли еще будет…

В далеком же 1984 г. японский дядька по имени Фуджио Масуоко (Fujio Masuoka) показал своему коллеге новую технологию. История не сохранила имени коллеги, но известно, что ему процесс быстрого стирания ячеек напомнил работу вспышки фотоаппарата. Отсюда и пошло название новой технологии, ведь flash – это в переводе с англ. «вспышка».

1.2. Как это все работает

Как это происходит технически

Эволюционно флеш-память представляет собой разновидность EEPROM (Electrically Erasable Read Only Memory), то есть энергонезависимого ПЗУ с электронным стиранием. EEPROM функционирует на основе логики, построенной на КМОП-элементах (комплементарных структурах «металл-оксид-полупроводник», или Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS). К сожалению, при стирании содержимого КМОП-памяти нужно подводить к ее электронным ячейкам достаточно высокое напряжение, поэтому этот процесс занимает достаточно много времени. В отличие от «прародительницы», во флеш-микросхемах информация удаляется иначе – целыми блоками – и это происходит намного быстрее [1].

Первичными ячейками таких чипов являются полевые транзисторы с двумя изолированными затворами: управляющим и плавающим. Под воздействием управляющего создается канал для движения заряженных частиц от истока к стоку, причем некоторые электроны, обладающие большой энергией, преодолевают сопротивление изолятора и попадают на плавающий затвор. Этот процесс называется инжекцией.

Формируется скрытый, или «захороненный», заряд, который может сохраняться на плавающем затворе в течение нескольких лет. С целью кодирования информации малое количество заряда на затворе принимается равным логической единице, а большее – нулю.

При стирании на управляющий затвор подается высокое отрицательное напряжение. Тогда электроны с плавающего затвора «стекают» на сток (туннелируют).

Рис. 1.1. Запись и стирание данных во флеш-памяти

В то время как в обычной энергозависимой памяти для хранения каждого бита данных нужно задействовать несколько транзисторов и конденсатор, во флеш-памяти обходятся лишь одним. Это дает возможность сильно уменьшить размеры микросхем, упростить технологию их производства и снизить цену изделия.

Флеш-память может быть реализована на электронных логических элементах двух типов: ранее весьма распространенных NOR (с прямым доступом), а также более дешевых NAND, которые стали широко использовать в последние годы (доступ к последним осуществляется через 8-битную шину данных и адресов, имеющую отдельные командные каналы).

Рис. 1.2. По форме флешки бывают самые разные

В чипах памяти на основе логики NOR (Not OR, отрицание «или») каждая ячейка (полевой транзистор) подключена к трем независимым каналам: линии бит, линии слов и источнику заряда. Для выборки нужно подать напряжение на линию слов, подключенную к затвору. Если при этом заряд, «захороненный» в плавающем затворе, достаточно высок, создается препятствие движению электронов между истоком и стоком. Соответственно, разность потенциалов между ними остается значительной. При логической трактовке эта ситуация признается равной нулю, противоположная – равной единице.

Микроэлектроника на основе NOR имеет большой размер ячеек, обеспечивает высокие скорости перезаписи и короткое время доступа. Каждая микросхема этого типа может хранить от 64 Кбит до 8 Мбит данных. Основная проблема состоит в том, что ее сложно наращивать для достижения более высокой емкости, так как нельзя уменьшить размеры каждого из транзисторов – виной тому сам способ организации матрицы ячеек: к каждой из них нужно подвести отдельный изолированный контактный электрод.

Микросхемы NAND (Not AND, отрицание «и») обладают более высокой надежностью и емкостью, малыми размерами блоков и ячеек. Полевые транзисторы подключаются к линиям бит последовательно, группами.

Если они включены (открыты), то соответствующие проводники заземляются; разность потенциалов между ними и линиями слов исчезает. Правда, поскольку падение напряжения происходит сразу на многих транзисторах, считывание информации затрудняется. Но вследствие того, что обращение происходит одновременно к целой группе ячеек, увеличивается скорость чтения.

Рис. 1.3. Стандартная форма флешек

На практике организация NAND-памяти подразумевает, что к ее ячейкам можно адресоваться лишь последовательно. Для компенсации временных задержек, вызванных «групповым» характером операции, используется внутренний кэш адекватной емкости. При записи в транзисторах архитектуры NAND используется туннельная инжекция электронов, а при стирании – их туннельное высвобождение. Это позволяет уменьшить энергопотребление. Емкость микросхем составляет от 500 Кбит до 8 Мбит.

В микросхемах флеш-памяти обоих типов логические элементы объединяются в блоки (по 128 Кбит в NOR и 8 Кбит в NAND). В NAND-чипах ячейки предварительно группируются в «страницы» размером по 256 или 512 байт. В каждой из них по 16 байт отводится под служебную область, где хранятся метаданные и коды коррекции ошибок.

В новой флеш-памяти NOR StrataFlash, разработанной Intel, используются многоуровневые ячейки (MLC, Multi-Level Cell), каждая из которых может хранить по 2 или 4 бит. Для этого заряд условно делится на несколько логически значимых уровней, каждому из которых соответствует определенная комбинация значений булевой логики («истина»/«ложь», т.е. 1/0). Теоретически можно прочитать и записать до 6–8 бит, но на практике при столь большом числе уровней возникают проблемы с паразитными шумами и утечкой заряда при длительном хранении.

Одновременно с Intel компания AMD, известная на заре своего развития именно как производитель флеш-памяти, разработала новую технологию MicroBit для реализации в чипах архитектуры NAND, благодаря которой емкость ячеек можно увеличить вдвое. Решение, по сути дела, простое: плавающий затвор ячейки (полевого транзистора), хранящей заряд, физически делится на два независимых друг от друга элемента конструкции. Таким образом, вместо одной ячейки хранения память имеет дело сразу с двумя.

Особенности использования флешек

По сравнению с обычным жестким диском флешки имеют несколько принципиальных отличий. Для начала стоит отметить, что запись на флешку возможна только на предварительно стертые (зачищенные) ячейки. В случае же с жестким диском вполне обычна перезапись данных, когда одни данные записываются поверх других. Думаю, ни для кого не секрет, что когда вы удаляете какой-либо файл, он по-прежнему остается на жестком диске, просто информация о нем стирается из таблицы файловой системы, и он становится как бы невидимым. Отсюда и существование так называемых программ-восстановителей удаленных файлов. Они просто возвращают запись в таблицу файловой системы.

Из-за необходимости предварительной зачистки (стирания) ячеек, для флешек существует некоторая путаница с порциями данных: битом, байтом, блоком чтения/записи и областью стирания. Байт – минимальная величина записанной информации; а блок – минимальное количество байт, которые можно прочесть из памяти за один цикл обращения. Область стирания есть совокупность ячеек, содержимое которых стирается за одну операцию. Минимальной же единицей хранения информации на жестком диске является сектор. Так вот, порции данных флешки (блоки, область стирания), как правило, не совпадают по размеру с сектором жесткого диска. Во избежание несовместимости операционная система реализует как бы виртуальные сектора для флешек, которые фактически формируются блоками чтения/записи, на которые в частности разбивается и область стирания.

Наконец, необходимо отметить, что флеш-память, в отличие от жесткого диска, выдерживает ограниченное количество циклов записи-стирания. В то время как для жесткого диска его долговечность зависит от механической износостойкости. Технологически в идеале возможна практически неограниченная эксплуатация (знай себе намагничивай и размагничивай). Для разных флешек число повторных стираний варьируется примерно от 100 тыс. до 1 млн. Чтобы оценить эти цифры, представьте, что каждый день, 365 дней в году вы будете по 100 раз на дню мучить свою флешку. Так вот, даже при наихудшем прогнозе вам должно хватить ее на три года. Бывают, конечно, исключения (брак, неправильная эксплуатация), но в целом именно так.

По мере приближения к предельному значению циклов чтения/записи ячейка флеш-памяти начинает все хуже и хуже «себя вести»: либо запись происходит с ошибкой, либо блок не поддается стиранию с первой попытки. В результате вскоре блок помечается как дефектный и не участвует уже более в работе флешки.

Отсюда наиболее распространенным способом продления срока жизни флешки является технология управления ее износом (Wear Leveling Control), суть которой состоит в том, чтобы обеспечить наиболее равномерное использование ячеек флеш-памяти путем равномерного распределения циклов чтения/записи по разным блокам.

Что касается контроля надежности хранения информации на флешке, то он производится непосредственно во время записи: встроенный механизм соотносит сохраненную информацию с исходной с помощью компаратора. Возможна также дополнительная проверка. Все зависит от того, какие технологии заложил производитель в свои изделия.

Виртуальное флеш-пространство

Файловая система флеш-памяти (Flash File System, FFS) состоит из модулей управления пространством, «сборкой мусора», износом и интерфейсом, а также блока инициализации. Общение ОС с флеш-накопителем начинается с вызова дискового прерывания (IRQ14), которое активизирует накопитель. Если запрашивается чтение сектора данных, то происходит преобразование его координат в адрес физического блока памяти. Затем происходит выборка соответствующего кристалла, собственно считывание данных и их передача в буфер ОС [1].

При записи координаты сектора преобразуются в собственную систему флеш-накопителя. Происходит проверка на наличие свободных блоков чтения/записи. При наличии таковых для соответствующего кристалла устанавливается режим записи и происходит запоминание данных в его ячейках.

Если же блоков недостаточно или размер свободного пространства меньше требуемого, активизируется «сборка мусора», которая совместно с механизмом управления износом подбирает область стирания и проверяет, не содержит ли она действительных блоков чтения/записи. При обнаружении последних происходит их перемещение в резервное пространство. Выбранная область стирания очищается, затем из ее состава выбирается свободный блок записи.

Управление пространством осуществляется с помощью трансляции логических секторов дисковой модели ОС в физические блоки флеш-памяти (Flash Translation Layer, FTL). При этом происходит учет дефектных и недействительных блоков. Доступный объем виртуального накопителя описывается в управляющих таблицах, выполняющих роль таблиц размещения файлов (FAT) дисковой ОС.

Процесс удаления записанных, но более не используемых (недействительных) блоков памяти носит название «сборки мусора» (Garbage Collection).

На заре развития флеш-памяти для этого использовался простой механизм. Блоки, содержащие полезные данные, перемещались в свободную область, после чего запускался механизм очистки недействительных. Так как «сборка мусора» запускается нечасто, этот процесс потребляет ничтожно мало энергии и не снижает производительность памяти. Однако его нельзя признать достаточно оптимальным. Поэтому сегодня эта процедура запускается в те моменты, когда нет обращений системы к виртуальному диску [1].

Перед выполнением «сборки мусора» необходимо выполнить поиск соответствующих фрагментов памяти, учесть количество недействительных блоков чтения/записи и число предшествующих циклов стирания, а также выявить области, в которых информация обновляется чаще, чем в других (в таких случаях особую важность приобретает проблема физического износа ячеек памяти).

В технических характеристиках флеш-накопителей указываются две скорости записи: пиковая и средняя (последняя в 2–3 раза ниже). Средняя скорость характеризует реальную производительность электроники, поскольку определяется эффективностью работы механизма «сборки мусора». Если механизм «сборки мусора» работает недостаточно эффективно, это вызывает падение быстродействия флеш-памяти.

1.3. Шина USB

Flash-диск (флешка) подключается к компьютеру через USB-порт. Для этого на флешке присутствует USB-разъем. Короче, передача данных осуществляется через шину USB, поэтому нелишним будет узнать несколько подробностей о ней. Главное, что следует знать, так это то, что на данный момент существуют два стандарта USB: USB 1.1 и USB 2.0 (готовится USB 3.0, но до начала его массового применения еще далеко).

Все современные флешки выпускаются в стандарте USB 2.0 уже пару-тройку лет, не меньше. В то же время существуют не -новые компьютеры, в которых USB-порт работает по стандарту USB 1.1, который в несколько раз медленнее работает, нежели USB 2.0. В итоге, если вы подключите даже флешку USB 2.0. к USB-порту 1.1, передача данных будет осуществляться по скоростям USB 1.1, то есть очень медленно.

Рис. 1.4. Символ USB

Для того чтобы получить представление о скоростях, присущих технологиям USB 1.1 и USB 2.0, обратите внимание на технические характеристики, приведенные ниже:

Технические характеристики USB 1.1:

• скорость: от 1,5 до 12 Мбит/с;

• максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена – 5 м [1];

• максимальная длина кабеля для низкой скорости обмена – 3 м [1];

• максимальное количество подключённых устройств (включая размножители) – 127;

• возможно подключение устройств с различными скоростями обмена;

• напряжение питания для периферийных устройств – 5 В;

• максимальный ток потребления на одно устройство – 500 мА,

Технические характеристики USB 2.0 примерно такие же, за исключением скорости обмена, она составляет до 480 Мбит/с. На самом деле, хотя в теории скорость USB 2.0 может достигать 480 Мбит/с, устройства типа жёстких дисков и вообще любых носителей информации в реальности никогда не достигают такой скорости обмена по шине, хотя и могут развивать её. Это можно объяснить достаточно большими задержками шины USB между запросом на передачу данных и собственно началом передачи. Например, другая шина FireWire хотя и обеспечивает максимальную скорость в 400 Мбит/с, что на 80 Мбит/с меньше чем у USB, в реальности позволяет достичь больших скоростей обмена данными с жёсткими дисками и другими устройствами хранения информации [2].

1.4. Что у флешки внутри?

В подробности этого вопроса мы вдаваться не будем. Просто выясним для общего развития, что же у флешки внутри? Устройство флешки показано на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Флешка изнутри

На рисунке обозначены:

1. USB-разъём.

2. Микроконтроллер.

3. Контрольные точки.

4. Микросхема Flash-памяти.

5. Кварцевый резонатор.

6. Светодиод.

7. Переключатель «защита от записи».

8. Место для дополнительной микросхемы памяти.

Глава 2.
Секреты эффективного пользования флешкой

2.1. Безопасное извлечение Flash-устройств

Довольно часто с флешкой обращаются довольно небрежно. Вставляют в компьютер (USB-порт), записывают на нее (или с нее) данные, потом выдергивают флешку. В принципе все так и должно быть, за исключением последнего этапа. Так делать, конечно, можно (просто выдергивать флешку из USB-порта), но при этом достаточно велик риск потери данных. Бывает это довольно редко, но когда случается – потерянные данные вернуть очень сложно, а чаще всего невозможно. Кроме того, поскольку порт USB является питающим (через него подается электричество на подключенные устройства), бывали случаи, что флешка просто перегорала из-за скачка напряжения.

Обезопасить себя от подобных казусов можно двумя способами: либо каждый раз использовать встроенный в Windows механизм извлечения, либо настроить процедуру быстрого извлечения Flash-диска из USB-порта. Первый способ является наиболее надежным, но медленным. Второй – позволяет выдергивать флешку, как вам заблагорассудится, но при этом нет гарантии сохранности файлов флешки, с которыми вы в данный момент работаете.

Стандартный механизм извлечения мы рассмотрим сейчас, а настройку быстрого извлечения – в следующем пункте данной главы.

1. Все время, пока Flash-диск подключен к компьютеру, в области уведомлений Windows (в правом углу панели задач) отображается значок безопасного извлечения устройства . Именно по нему и следует дважды щелкнуть мышкой тогда, когда вы захотите извлечь флешку из USB-порта. После того как вы это сделаете, на экране появится диалоговое окно Безопасное извлечение устройства, в котором вы должны будете указать Flash-диск, который хотите отключить (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Диалоговое окно «Безопасное извлечение устройства»

2. После того как вы выберете нужный Flash-диск (возможно, у вас несколько флешек подключено к компьютеру), нажмите кнопку Остановить. В результате на экране отобразится диалоговое окно Остановка устройства, в котором отобразится список останавливаемых устройств. Убедитесь, что в нем присутствует извлекаемая флешка, и только после этого нажмите кнопку OK (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Диалоговое окно «Остановка устройства»

3. В области уведомлений появится сообщение, в котором будет сказано, что можно извлечь Flash-диск. Только теперь сделайте это.

2.2. Быстрое извлечение Flash-устройств

Чтобы настроить быстрое извлечение Flash-дисков из USB-портов, необходимо проделать следующее:

1. Перейдите в Панель управления, выбрав Пуск→Панель управления.

2. На Панели управления щелчком мыши выберите Система. На экране откроется диалоговое окно Свойства системы, в котором необходимо перейти на вкладку Оборудование и нажать кнопку Диспетчер устройств (см. рис. 2.3).

Рис. 2.3. Диалоговое окно «Свойства системы»

3. В появившемся окне Диспетчера устройств, в списке устройств найдите Дисковые устройства→Имя Flash-диска. Щелкните правой кнопкой по имени флешки и в появившемся контекстном меню выберите команду Свойства.

4. В диалоговом окне Свойства перейдите на вкладку Политика и в группе переключателей Кэширование записи и безопасное удаление (рис. 2.4) установите переключатель в положение Оптимизировать для быстрого удаления. Нажмите OK в окне Свойства. На этом процедуру быстрого извлечения Flash-дисков можно считать оконченной.

Рис. 2.4. Настройка быстрого извлечения

После того, как быстрое извлечение настроено, вы можете со спокойной совестью извлекать флешки из USB-порта простым выниманием. Однако удостоверьтесь перед этим, что на флешку или с флешки нет копирования файлов, а также нет программ, запущенных с флешки. В противном случае они могут быть повреждены в ходе извлечения.

В связи с этим необходимо отметить еще один момент. Довольно типична ситуация, когда на флешке помещается вирус (ничего удивительного – флешки ведь постоянно втыкаются во все подряд компьютеры, и наверняка на каком-то из них может скрываться «зараза»). Обычными средствами вируса может быть не видно, о существовании его вы можете не подозревать, а его жизнедеятельность наверняка особо не афишируется.

Так вот, может получиться, что при извлечении флешки у вас все-таки останется запущенная с нее программа (вирус). Может быть, и ничего страшного, а может и произойти пренеприятное – «слететь» файловая система флешки или произойти повреждение флешки. В данном случае можно посоветовать либо не пользоваться быстрым извлечением, либо почаще проходиться по флешке антивирусом.