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。
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。
