u盘工作原理

Dear 丶 2023-10-12 20:29 1阅读 0赞

U盘是USB(USB flash disk)盘的简称，据谐音也称“优盘”。U盘是闪存的一种，故有时也称作闪盘。U盘与硬盘的最大不同是，它不需物理驱动器，即插即用，且其存储容量远超过软盘，极便于携带\[1\]。  
U盘集磁盘存储技术、闪存技术及通用串行总线技术于一体。USB的端口连接电脑，是数据输入/输出的通道；主控芯片使计算机将U盘识别为可移动磁盘，是U盘的“大脑”；U盘Flash（闪存）芯片保存数据，与计算机的内存不同，即使在断电后数据也不会丢失；PCB底板将各部件连接在一起，并提供数据处理的平台\[1\]。  
中文名  
U盘  
外文名  
USB flash disk (UFD)  
别名  
universal serial bus  
全称  
USB闪存盘  
作用  
移动存储设备

简介

U盘，全称USB闪存驱动器，英文名“ USB flash disk”。它是一种使用USB接口的无须物理驱动器的微型高容量移动存储产品，通过USB接口与电脑连接实现即插即用。U盘的称呼最早来源于朗科科技生产的一种新型存储设备，名曰“优盘”，使用USB接口进行连接。U盘连接到电脑的USB接口后，U盘的资料可与电脑交换。而之后生产的类似技术的设备由于朗科已进行专利注册，而不能再称之为“优盘”，而改称谐音的“U盘”。后来，U盘这个称呼因其简单易记而广为人知，是移动存储设备之一\[2\]。

U盘

相较于其他可携式存储设备，闪存U盘有许多优点：占空间小，通常操作速度较快(USB1.1、2.0、3.0标准)，能存储较多数据，并且性能较可靠(由于没有机械设备)，在读写时断开而不会损坏硬件(软盘在读写时断开马上损坏)，只会丢失数据。这类的磁盘使用USB大量存储设备标准，操作系统如 Linux、 Mac OS X、Unix与 Windows中皆有内置支持\[2\]。

U盘通常使用ABS塑料或金属外壳，内部含有一张小的印刷电路板，让闪存盘尺寸小到像钥匙圈饰物一样能够放到口袋中，或是串在颈绳上。只有USB连接头突出于保护壳外，且通常被一个小盖子盖住。大多数的U盘使用标准的Type-A USB接头，这使得它们可以直接插入个人电脑上的USB端口中\[2\]。

要访问U盘的数据，就必须把U盘连接到电脑；无论是直接连接到电脑内置的USB控制器或是一个USB集线器都可以。只有当被插入USB端口时，闪存盘才会启动，而所需的电力也由USB连接供给\[2\]。

发展历史

自1998~2000年，有很多公司声称自己第一个发明了USB闪存盘。包括中国朗科科技、以色列M-Systems和新加坡Trek公司。但是真正获得U盘基础性发明专利的却是中国朗科公司。2002年7月，朗科公司“用于数据处理系统的快闪电子式外存储方法及其装置”(专利号：ZL 99 1 17225.7)获得国家知识产权局正式授权，该专利填补了中国计算机存储领域20年来发明专利的空白。该专利权的获得引起了整个存储界的极大震动，包括以色列M-Systems立即向中国国家知识产权局提出了无效复审，一度成为全球闪存领域震惊中外的专利权之争。但是2004年12月7日，朗科获得美国国家专利局正式授权的闪存盘基础发明专利，美国专利号US6829672。这一专利权的获得，最终结束了这场争夺。中国朗科公司才是U盘的全球第一个发明者。美国时间2006年2月10日，朗科委托美国摩根路易斯律师事务所向美国德克萨斯州东区联邦法院递交诉状，控告美国PNY公司侵犯了朗科的美国专利。2008年2月，朗科与PNY达成庭外和解。朗科向PNY签订专利许可协议，PNY向朗科公司缴纳专利许可费用1000万美元。这是中国企业第一次在美国本土收到巨额专利许可费用，也进一步证明了朗科是U盘的全球发明者\[3\]。

现在的U盘都支持USB2.0标准，然而因为NAND闪存技术上的限制，它们的读写速度还无法达到标准所支持的最高传输速度480Mb/s。最快的闪存盘已使用了双通道的控制器，但是比起硬盘，或是USB2.0能提供的最大传输速率来说，仍然差上一截。最高的传输速率大约为20~40 MB/s，而一般的文件传输速度大约为10 MB/s\[3\]。

U盘组成

U盘的组成很简单，主要由外壳+机芯组成，其中\[4\]：

1、机芯：机芯包括一块PCB+USB主控芯片+晶振+贴片电阻、电容+USB接口+贴片LED（不是所有的U盘都有）+FLASH（闪存）芯片\[4\]。

2、外壳：按材料分类，有ABS塑料、竹木、金属、皮套、硅胶、PVC软件等；按风格分类，有卡片、笔型、迷你、卡通、商务、仿真等；按功能分类，有加密、杀毒、防水、智能等\[4\]。

U盘机芯

存储原理

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EEPROM存储芯片的相应地址存储二进制数据，实现数据的存储。EEPROM数据存储器，其控制原理是电压控制栅晶体管的电压高低值，栅晶体管的结电容可长时间保存电压值，断电后能保存数据的原因主要就是在原有的晶体管上加入了浮动栅和选择栅。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栅。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输电流的选择/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\[5\]。

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\[5\]。

功能分类

U盘主要目的是用来存储数据资料的，经过爱好者及商家们的努力，把U盘开发出了更多的功能：加密u盘、启动U盘、杀毒u盘、测温u盘以及音乐u盘等\[4\]。

无驱型

无驱动型产品可在Windows 98/Me/2000/XP及支持USB Mass Storage协议的Linux、Mac OS等系统下正常使用，且仅在Windows 98系统下需要安装驱动程序，在Windows Me以上的操作系统中均不需要安装驱动程序即可被系统正确识别并使用，真正体现了USB设备“即插即用”的方便之处。市场上大多数U盘都是无驱动型，用户有很大的选择余地，爱国者、联想、金邦、朗科等公司的U盘都是不错的选择\[6\]。

加密型

加密型U盘除了可以对存储的内容进行加密之外，也可以当作普通U盘使用。大体有两种类型：一种是硬件加密，如指纹识别加密U盘，这种U盘价格较高，针对特殊部门的用户，一般来说，采用硬件加密方式的安全性更好；另一种是软件加密，软件加密可以在U盘中专门划分一个隐藏分区（加密分区）来存放要加密的文件，也可以不划分区只对单个文件加密，没有密码就不能打开加密分区或加密的单个文件，从而起到保密的作用\[6\]。

启动型

启动型U盘的出现更使人们对这种便携产品刮目相看。顾名思义，启动型U盘加入了引导系统的功能，弥补了加密型及无驱型U盘不可启动系统的缺陷。正是这种产品的出现，加速了软驱被淘汰的进程。要进行系统引导，U盘必须模拟一种USB外设来实现。如市场上的可启动型U盘主要是靠模拟USB\_HDD方式来实现系统引导的。通过模拟USB\_HDD方式引导系统有一个好处：在系统启动之后，U盘就被认作一个硬盘，用户可以最大限度地使用U盘的空间。这也将U盘大容量的特点体现得十分充分。这种具备多重启动功能的U盘除了可用于台式机之外，也可以广泛地应用在具备外置USB软驱的笔记本电脑上，有了这种U盘，笔记本也就可以彻底淘汰掉软驱甚至光驱了\[6\]。

市场上有启动型U盘供选购，但比普通的无驱型U盘要贵，用户其实可以将普通的无驱型U盘制作成启动型U盘，一般有两种方法\[6\]：

1、从网上免费下载USboot制作工具，几分钟即可制作成功，只是启动后是纯DOS界面\[6\]。

2、从网上免费下载UltraISO制作工具和WinPE.iso文件，将u盘制作成WinPE(一个精简过的Windows XP操作系统)启动盘，制作时间稍长点，启动后是Windows图形界面\[6\]。

共9张

各式各样的U盘

优点

1、优盘的使用非常简单方便

U盘接口有多种，严格地说只有USB接口的闪存盘才能叫U盘。这表示大多数现代的操作系统都可以在不需要另外安装驱动程序的情况下读取及写入闪存盘\[7\]。

U盘在操作系统里面显示成区块式的逻辑单元，隐藏内部闪存所需的复杂细节。操作系统可以使用任何文件系统或是区块寻址的方式。也可以制作启动U盘来引导计算机。现在的操作系统如Linux、MacOSX、Unix与Windows2000、XP、win7中皆有内置支持\[7\]。

使用时，不需要驱动器，无外接电源，即插即用，带电插拔。通过USB接口连到电脑的主机后，可像对普通硬盘一样对其进行格式化、拷贝、删除等操作。U盘的资料可转移到电脑上，电脑上的数据也可以很方便地转移到U盘上。可随时取下或接上。实现了便携式移动存储。存取速度快（约为软盘速度的15倍）。

2、U盘最大的特点就是小巧便于携带

一般的U盘容量有1G、2G、4G、8G、16G等，和软盘、CD-RW、Zip盘等传统存储设备相比，“优盘”具有非常明显的优异性。主要表现在：体积非常小（仅大拇指般大小），重量仅约20克；容量大（8MB~256MB，甚至可达2GB）；可用于存储照片、资料、影像，面积只有1厘米见方，携带方便，适合于无线计算领域及移动办公，大大提高了效率，使人类生活更便捷\[7\]。

3、U盘安全性好

它几乎不会让水或灰尘渗入，也不会被刮伤，而这些在旧式的携带式存储设备（例如光盘、软盘片）等是严重的问题。而闪存盘所使用的固态存储设计让它们能够抵抗无意间的外力撞击。这些优点使得闪存盘非常适合用来从某地把个人数据或是工作文件携带到另一地，例如从家中到学校或是办公室，或是一般来说需要携带到并访问个人数据的各种地点。由于USB在现今的个人电脑中几乎无所不在，因而到处都可以使用闪存盘。不过，小尺寸的闪存盘也让它们常常被放错地方、忘掉或遗失\[7\]。

4、存储容量大

闪存盘虽然小，但相对来说却有很大的存储容量。U盘大多能够存储比一片CD (700MB)还多的数据，高级的可以存储比一片双面双层DVD(17GB)还多的数据\[7\]。

使用方法

U盘有USB接口，是USB设备。如果操作系统是WindowsXP/Vista/Win7/Linux/PrayayaQ3或是苹果系统的话，将U盘直接插到机箱前面板或后面的USB接口上，系统就会自动识别。如果系统是Windows 98的话，需要安装U盘驱动程序才能使用。驱动可以从附带的光盘中或者到生产商的网站上找到\[8\]。

在一台电脑上第一次使用U盘（当你把U盘插到USB接口时）系统会发出一声提示音，然后报告“发现新硬件”。稍候，会提示：“新硬件已经安装并可以使用了”。（有时还可能需要重新启动）这时打开“我的电脑”，可以看到多出来一个硬盘图标，名称一般是U盘的品牌名，例如金士顿，名称就为KINGSTON。经过这一步后，以后再使用U盘的话，直接插上去，然后就可以打开“我的电脑”找到可移动磁盘，此时注意，在任务栏最右边，会有一个小图标，样子是一个灰色东西旁有一个绿色箭头，就是安全删除USB硬件设备的意思。（U盘是USB设备之一），接下来，你可以像平时操作文件一样，在U盘上保存、删除文件，或将文件通过右键直接发送到U盘中\[8\]。

但是要注意，U盘使用完毕后要关闭所有关于U盘的窗口，拔下U盘前，要用左键双击右下角的安全删除USB硬件设备图标，再选择“停止”然后左键点击“确定”。当右下角出现提示：“USB设备现在可安全地从系统移除了”的提示后，才能将U盘从机箱上拔下，或者直接单击图标，直接点击“安全移除USB设备”,然后等出现提示后即可将U盘从机箱上拔下\[8\]。

注意事项

1、U盘一般有写保护开关，但应该在U盘插入计算机接口之前切换，不要在U盘工作状态下进行切换\[9\]。

2、U盘都有工作状态指示灯，如果是一个指示灯，当插入主机接口时，灯亮表示接通电源，当灯闪烁时表示正在读写数据。如果是两个指示灯，一般两种颜色，一个在接通电源时亮，一个在U盘进行读写数据时亮。严禁在读写状态灯亮时拔下U盘。一定要等读写状态指示灯停止闪烁或灭了之后才能拔下U盘\[9\]。

3、U盘的存储原理和硬盘有很大出入，不要整理碎片，否则影响使用寿命\[9\]。

未来发展

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\[10\]。

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。金士顿发表了一款512GB的USB3.0闪存盘，并且宣称能够保存数据10年\[10\]。

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\[10\]。（已完成）

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\[10\]。

纠错

参考资料

\[1\] 陈君慧编著,影响人类的重大发明 第四册,吉林出版集团有限责任公司,2013.08,第623页