Восстановление данных с флеш-носителей (47029)

Посмотреть архив целиком


Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования


«Омский государственный университет»











Дипломная работа

Восстановление данных с флеш-носителей




Факультет: ФизическийСтудент: В.В. Пупкин

Специальность: ФизикаГруппа: ФИ-666


Оценка: Хорошо






Омск, 2010


Оглавление


Введение

Глава 1. История создания флеш-памяти

Общие принципы работы флеш-памяти

Архитектура флеш-памяти

Типы карт памяти

Применение флеш-памяти

Глава 2. Типы повреждений и методы восстановление данных

Средства восстановления данных

Глава 3. Простое восстановление данных при логическом сбое

Ручное восстановление данных в FAT32

Восстановление данных в файловой системе NTFS

Заключение

Список использованной литературы


Введение


За последние пятнадцать лет устройства на основе технологии флеш-памяти стали неотъемлемой частью жизни современного человека. Благодаря своей компактности и высокой плотности записи, этот тип носителя информации прочно занял нишу на рынке всевозможных цифровых устройств – фото- и видеокамер диктофонов, MP3-плееров, КПК, мобильных телефонов, а также смартфонов и коммуникаторов. Кроме того, она используется для хранения встроенного программного обеспечения в различных устройствах (маршрутизаторах, мини-АТС, принтерах, сканерах, модемax), различных контроллерах. Также в последнее время широкое распространение получили USB флеш-накопители практически вытеснившие дискеты и CD.

Наряду со всеми достоинствами этого типа памяти, существуют и проблемы, связанные с возникающей потерей данных, хранящихся в нем, по различным причинам. С потерей фотографий иногда ещё можно смириться, но что делать если пропали важные документы: например, финансовый отчёт или готовый дипломный проект? Также подобные ситуации часто усугубляются строгой конфиденциальностью информации, хранимой на переносных носителях. Такие данные, как правило, хранятся в единственном экземпляре в условиях полной секретности.

Целью дипломной работы стало составления методического пособия, которое может помочь конечному пользователю восстановить утраченную информацию своими силами, без обращения в специализированные центры. Использование таких центров, как правило, не могут гарантировать полную конфиденциальностью восстанавливаемых данных, к тому же это отнимает немало времени и средств.

Будут рассмотрены способы простого автоматического восстановления с помощью специализированных утилит и способы ручного восстановления, связанные с использованием редакторов, обращающихся к памяти флеш-накопителя напрямую, позволяя просматривать и редактировать отдельные сектора. Данные методики включают инструкции для восстановления данных с носителей, отформатированных в самые популярные файловые системы – FAT32 и NTFS, но в ряде случаев эти методики могут помочь и в восстановлении менее распространенных систем.


Глава 1. История создания флеш-памяти


Первой энергонезависимой памятью была ROM (ПЗУ) - Read Only Memory. Из названия становится понятно, что данный тип имеет единственный цикл записи. Он осуществляется сразу при производстве, путем нанесения алюминиевых дорожек между ячейками ROM литографическим способом. Наличие такой дорожки означает 1, отсутствие 0. Этот вид памяти не приобрел большой популярности, так как процесс изготовления микросхемы ROM занимает длительное время (от 4 до 8 недель). При этом стоимость памяти довольно низкая (при больших объемах производства), а информацию с нее можно стереть только физическим или термальным воздействием. Естественно, что на ROM прогресс не закончился. Возникла острая необходимость в перезаписи памяти, а каждый раз выпускать ПЗУ с новыми данными было дорого и нерационально. Поэтому ROM сменила PROM (Programmable ROM). Микросхему с такой памятью можно было подвергнуть повторному (правда, единственному) прожигу с помощью специального устройства – программатора. Дело в том, что PROM производилась немного по другой технологии. Дорожки между ячейками были заменены плавкими перемычками, которые могли быть разрушены путем подачи высокого напряжения на микросхему. Конструктивно перемычки представляют собой интегральный элемент из титаново-вольфрамового сплава. Таким образом, появляется единственный цикл перезаписи.

ROM и PROM относятся к виду неперезаписываемой энергонезависимой памяти. В 1971 году Intel выпускает совершенно новую микросхему памяти под аббревиатурой EPROM (Erasable Programmable ROM). Такую микросхему можно было подвергать неоднократной перезаписи путем облучения чипа рентгеновскими лучами. Память, стираемая ультрафиолетом, появляется немного позднее и носит аббревиатуру UV-EPROM. В такой микросхеме имеется небольшое окошко с кварцевым стеклом. За ним находится кристалл, который облучается ультрафиолетом. После стирания информации это окошко заклеивают. Частичная перезапись данных по-прежнему остается невозможной, так как рентгеновские и ультрафиолетовые лучи изменяют все биты стираемой области в положение 1. Повторная запись данных осуществляется также на программаторах (как в ROM и EROM). EPROM была основана на МОП (металл-оксид-полупроводник) транзисторах. Запись данных в ячейки такого транзистора производилась методом лавинной инжекции заряда (о методах записи будет сказано ниже). Этот метод давал возможность неоднократно перезаписывать данные памяти (хотя количество циклов было ограниченным). Таким образом, вместе с EPROM рождается поколение NVRWM, что расшифровывается как NonVolatile Read-Write Memory. Но, несмотря на абсолютно новую технологию, этот вид был вытеснен с рынка другими видами памяти.

Через восемь лет, в 1979 году после выхода EPROM, фирма Intel разрабатывает новый вид памяти, которая могла быть перезаписана частями. С помощью электрического тока становилось возможным изменение данных в определенной ячейке микросхемы. Это нововведение уменьшало время программирования, а также позволяло отказаться от внешних устройств-программаторов. Для записи данных память достаточно было подключить к системной шине микропроцессора, что значительно упрощало работу с микросхемой, поэтому стоимость EEPROM была высокой. Это неудивительно, так как технологии производства такой памяти были очень сложными. В отличие от предыдущего EPROM, увеличивалось количество циклов перезаписи информации.

Наконец в 1984 году компания Toshiba разрабатывает принципиально новый вид памяти под названием Flash. Сразу после этого начался интенсивный процесс развития этого вида, а EEPROM стремительно теряет позиции на рынке.[1]


Общие принципы работы флеш-памяти


Ячейки флеш-памяти существуют как на одном, так и на двух транзисторах. В простейшем случае каждая ячейка хранит один бит информации и состоит из одного полевого транзистора со специальной электрически изолированной областью ("плавающим" затвором - floating gate), способной хранить заряд многие годы. Наличие или отсутствие заряда кодирует один бит информации. При записи заряд помещается на плавающий затвор одним из двух способов (зависит от типа ячейки): методом инжекции "горячих" электронов или методом туннелирования электронов. Стирание содержимого ячейки (снятие заряда с "плавающего" затвора) производится методом тунеллирования. Как правило, наличие заряда на транзисторе понимается как логический "0", а его отсутствие - как логическая "1". Современная флеш-память изготавливается по 30-нм технологическому процессу. Принцип чтения микросхемы Flash довольно прост и базируется на законах квантовой механики. При извлечении данных из памяти, заряд на “плавающем” затворе отсутствует, а на управляющий затвор подается заряд положительного направления. Под его воздействием между стоком и истоком создается канал трассировки (свободная зона на кристалле транзистора, выделенная для реализации межсоединений ячеек). Все это происходит за счет туннельного эффекта, а данные памяти затем можно считывать с истока. Если на “плавающем” затворе имеется заряд, то обычного напряжения (которое подается при чтении) недостаточно. Поэтому при записи применяют метод инжекции электронов. Суть его заключается в следующем: на управляющий затвор и исток подается высокое напряжение (причем на затворе оно в два раза выше). Благодаря этому напряжению, электроны способны преодолеть тонкую пленку диэлектрика и попасть на “плавающий” затвор. Такой процесс получил название “инжекция горячих электронов” (термин “горячий” условен, электроны были названы так, потому что обладают высокой энергией, достаточной для преодоления диэлектрика). Чтобы стереть информацию из памяти, достаточно подать высокое положительное напряжение на исток. Под его воздействием отрицательные электроны с “плавающего” затвора (благодаря туннельному эффекту) переходят в область истока. Процесс продолжается до полной разрядки затвора. Ускорить метод туннелирования электронов можно путем подачи дополнительного высокого отрицательного напряжения на управляющий затвор. Эффект туннелирования - один из эффектов, использующих волновые свойства электрона. Сам эффект заключается в преодолении электроном потенциального барьера малой "толщины". Для наглядности представим себе структуру, состоящую из двух проводящих областей, разделенных тонким слоем диэлектрика (обеднённая область). Преодолеть этот слой обычным способом электрон не может - не хватает энергии. Но при создании определённых условий (соответствующее напряжение и т.п.) электрон проскакивает слой диэлектрика (туннелирует сквозь него), создавая ток. Важно отметить, что при туннелировании электрон оказывается "по другую сторону", не проходя через диэлектрик. При этом электроны с “плавающего” затвора будут отталкиваться в сторону диэлектрика, а время эффекта значительно уменьшится. Мы рассмотрели простейший случай, когда каждая ячейка Flash хранит один бит информации и состоит из одного полевого транзистора. Перезапись и стирание Flash значительно изнашивает микросхему, поэтому технологии производства памяти постоянно совершенствуются, внедряются оптимизирующие способы записи микросхемы, а также алгоритмы, направленные на равномерное использование всех ячеек в процессе работы.[2]


Чтение, запись, стирание простейшей ячейки


Рассмотрим простейшую ячейку флеш-памяти на одном n-p-n транзисторе. Ячейки подобного типа чаще всего применялись во flash-памяти с NOR архитектурой, а также в микросхемах EPROM. Поведение транзистора зависит от количества электронов на "плавающем" затворе. "Плавающий" затвор играет ту же роль, что и конденсатор в DRAM, т. е. хранит запрограммированное значение.[3]


Рис.2 Чтение при отсутствии заряда[3]

Чтение при отсутствии заряда


При чтении, в отсутствие заряда на "плавающем" затворе, под воздействием положительного поля на управляющем затворе, образуется n-канал в подложке между истоком и стоком, и возникает ток.

Чтение при наличии заряда


Наличие заряда на "плавающем" затворе меняет вольтамперные характеристики транзистора таким образом, что при обычном для чтения напряжении канал не появляется, и тока между истоком и стоком не возникает.

Рис.3 Чтение при отсутствии заряда[3]


Рис.4 Запись[3]

Запись

При программировании на сток и управляющий затвор подаётся высокое напряжение (причём на управляющий затвор напряжение подаётся приблизительно в два раза выше). "Горячие" электроны из канала инжектируются на плавающий затвор и изменяют вольтамперные характеристики транзистора. Такие электроны называют "горячими" за то, что обладают высокой энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, создаваемого тонкой плёнкой диэлектрика.

Стирание

При стирании высокое напряжение подаётся на исток. На управляющий затвор (опционально) подаётся высокое отрицательное напряжение. Электроны туннелируют на исток.

Рис.5 Стирание[3]


Многоуровневые ячейки








Рис. 6 Одноуровневая и многоуровневая ячейка


Через несколько лет после выпуска флеш-дисков были проведены успешные испытания микросхем, в которых ячейка хранила уже два бита. На такую память можно было записать в два раза больше информации. В настоящее время уже существуют теоретические разработки памяти с четырехбитными ячейками. В микросхеме с MLC (MultiLevel Cell) существует различие величин заряда, которые накапливаются на “плавающем” затворе. Благодаря этому различию, информация в ячейке может быть представлена различными битовыми комбинациями, то есть в отличие от "обычной" флеш-памяти, MLC способна различать более двух величин зарядов, помещённых на "плавающий" затвор, и, соответственно, большее число состояний. При этом каждому состоянию в соответствие ставится определенная комбинация значений бит. Величину заряда на затворе можно определить измерением порогового напряжения транзистора и по итогам этого измерения представить битовую комбинацию. В настоящее время многие компании находятся в поисках предельного числа бит, которое способна хранить многоуровневая ячейка. Во время записи на "плавающий" затвор помещается количество заряда, соответствующее необходимому состоянию. От величины заряда на "плавающем" затворе зависит пороговое напряжение транзистора. Пороговое напряжение транзистора можно измерить при чтении и определить по нему записанное состояние, а значит и записанную последовательность бит. Микросхемы с MLC нашли своё применение в технологии Intel Strata flash.[2]



Доступ к флеш-памяти


Различают три метода доступа к микросхеме: обычный, пакетный и страничный. Все они используются в зависимости от ситуации, так как отличаются по скорости доступа, имеют свои преимущества и недостатки.

  • Обычный доступ (Conventional). Произвольный асинхронный доступ к ячейкам памяти. Используется в тех ситуациях, когда необходимо считать малое количество информации с микросхемы памяти.

  • Пакетный (Burst). Синхронный, данные читаются параллельно, блоками по 16 или 32 бита за один раз. После чтения информации в буфер происходит синхронизация блоков, и, в конечном итоге, данные передаются уже последовательно. Преимущество перед обычным типом доступа - быстрое последовательное чтение данных. Недостаток - медленный доступ при чтении определённых ячеек памяти.

  • Страничный (Page). По принципу напоминает пакетный вид, но данные принимаются асинхронно, блоками по 4 или 8 слов. Преимущества - очень быстрый произвольный доступ в пределах текущей страницы. Недостаток - относительно медленное переключение между блоками.

В последнее время появились микросхемы флеш-памяти, позволяющие одновременную запись и стирание (RWW - Read While Write или Simultaneous R/W) в разные банки памяти.


Архитектура флеш-памяти


Существует несколько типов архитектур (организаций соединений между ячейками) флеш-памяти. Наиболее распространёнными в настоящее время являются микросхемы с организацией NOR и NAND.


NOR


Название NOR ведет свою родословную от логической операции Not OR (не «или»): если хотя бы один из транзисторов, подключенных к линии битов, включен, то считывается "0". NOR-Ячейки работают сходным с EPROM способом. Каждый транзистор-ячейка подключен к трем линиям: Word Line (линия слов), Select Line (линия выборки) и Bit Line (линия бит). Выборка осуществляется путем подачи высокого напряжения на Word Line, подключенную к затвору, и наблюдения за разницей потенциалов между Select Line (исток) и Bit Line (сток). Если на плавающем затворе находилось достаточное количество электронов, то их отрицательное поле препятствовало протеканию тока между истоком и стоком и напряжение оставалось высоким. Такое состояние полагается в терминах флеш-памяти нулем, в противоположном случае считывается единица.



Интерфейс - параллельный. Возможно как произвольное чтение, так и запись.

Программирование - методом инжекции "горячих" электронов.

Стирание - методом туннеллирования Фаулера-Нордхейма.

Преимущества - быстрый произвольный доступ, возможность побайтной записи. Недостатки - относительно медленная запись и стирание.

Основные производители: AMD, Intel, Sharp, Micron, Ti, Toshiba, Fujitsu, Mitsubishi, SGS-Thomson, STMicroelectronics, SST, Samsung, Winbond, Macronix, NEC, UMC.

Из двух типов имеет наибольший размер ячейки, а потому плохо масштабируется. Единственный тип памяти, работающий на двух разных напряжениях. Идеально подходит для хранения кода программ (PC BIOS, сотовые телефоны), представляет собой идеальную замену обычному EEPROM.


NAND


NAND является более выгодным, с точки зрения экономии пространства, способом организации ячеек. Транзисторы подключаются к битовым линиям группами, то есть последовательно. Если все транзисторы группы открыты, включены, Bit Line заземляется, напряжение между ней и Word Line падает до нуля: срабатывает логика Not AND (не «и») - если все элементы равны 1, то выдается 0. Правда, считывание затруднено вследствие падения напряжения на гирлянде транзисторов, однако скорость обращения повышается за счет адресации сразу целой группы битов. При произвольном доступе достоинство превращается в недостаток, и NAND-чипы обычно отличаются от NOR наличием дополнительного внутреннего кэша. Учитывая всё вышесказанное, NAND-память представляет собой наиболее подходящий тип памяти для устройств, ориентированных на блочный обмен: MP3 плееров, цифровых камер и в качестве заменителя жёстких дисков.[5]


Рис.8 Архитектура NOR[12]


Доступ - произвольный, но небольшими блоками, которые можно рассматривать как кластеры жёсткого диска.

Интерфейс – последовательный, произвольное чтение и запись невозможны. Не очень подходит для задач, требующих произвольного доступа к данным.

Преимущества – запись и стирание информации осуществляются на высокой скорости, размер блока небольшой.

Недостатки - относительно медленный произвольный доступ, невозможность побайтной записи, необходимость использовать внутренний кэш.

Основные производители - Toshiba, AMD/Fujitsu, Samsung, National, Mitsubishi.

Программирование - туннеллированием Фаулера-Нордхейма, в отличие от NOR-памяти.

Стирание - туннеллированием Фаулера-Нордхейма, в этом сходство с NOR-памятью.

Развитие технологии флеш-памяти происходит, в основном, в области совершенствования конструкции ячеек. Так, появились варианты с двумя транзисторами: один из пары является обыкновенным транзистором, изолирующим ячейку от Word Line. Благодаря этому удалось избавиться от паразитных перекрестных наводок, возникающих при стирании одной из страниц данных, а также снизить напряжение программирования. Причем второй транзистор занимает совсем немного места, поскольку он лишен функции запоминающего "конденсатора" и большого плавающего затвора.


Типы карт памяти


CompactFlash



Карточки этого формата впервые появились в 1994 г. Стандарт разработала компания SanDisk и предоставила его для общественного пользования безо всяких дополнительных лицензионных отчислений. В октябре 1995 г. была создана некоммерческая организация Compact Flash Association (CFA). Помимо, собственно, зачинщика, в нее вошли IBM, Canon, Kodak, HP, Hitachi, Epson и Socket Communications. Разработчики создали карты Miniature Card, но они оказались не очень удачными. Все права на технологию были проданы Centennial Technologies, которая в 2000 г. объявила о решении выпустить в свет собственный формат флеш-карт под названием Compact Linear Flash. Карточка содержит довольно сложный контроллер, благодаря которому она совместима с адаптерами PCMCIA. Питание может составлять 3,3 или 5В. Существует два класса CompactFlash-карт, в подражание PCMCIA названных Type I и Type II. Они различаются только толщиной (3,3 и 5 мм) и количеством чипов памяти, которые могут в них поместиться. Стандартный размер карты 43 x 36 мм. Одно из наиболее преимуществ CompactFlash заключается в электрической совместимости с IDE-интерфейсом. Это не означает, что карточку можно вставить в разъем, а подразумевает возможность эмуляции жесткого диска. На программном уровне карта ничем не отличается от винчестера: она обладает всеми необходимыми параметрами, такими, как количество виртуальных цилиндров и головок. Обращение к карте выполняется с помощью стандартного прерывания IRQ 14, и для работы с CompactFlash не требуется драйверов. Сейчас выпускаются карты CompactFlash объемом до 100 GB. Одно из главных достоинств стандарта - специфицированный встроенный контроллер памяти, обусловливающий четкое определение логической структуры данных.


MMC


В ноябре 1997 г. компании Siemens и SanDisk анонсировали MMC. Стандарт был изначально "свободным", таким же, как CompactFlash, т. е. лишенным каких-либо лицензионных ограничений. Размер карты всего 24 x 32 x 1,4 мм, весят карты всего 1б5 грамма. Скорость передачи данных равняется 20 MBps. Эти модули памяти работают при напряжениях 3,3 или 2,7 В и токе до 35 мА, что и обусловливает низкое энергопотребление. В 1998 г. сформировался альянс MMCA (MultiMedia Card Association), объединивший промоутеров новой технологии.



Рис.12 Архитектура MMC[5]


SmartMedia





Рис.13 Внешний вид SM[4]


Стандарт был разработан в 1995 г. компанией Toshiba, а его продвижением занимается организация SSFDC Forum, в рядах которой немало известных компаний. Кстати, SSFDC (Solid State Floppy Disk Card) можно перевести как "твердотельная дискета". Следует отметить, что многие производители делают флеш-карты сразу трех основных типов: Compact Flash, SmartMedia и MultiMediaCard. В отличие от Compact Flash, карты SmartMedia (SM) не снабжены встроенным контроллером, что, по замыслу создателей, должно снижать их стоимость. Кроме того, SМ имеют меньшие размеры (37x45x0,76 мм) и массу (до 2 г). По популярности SM спорят с CF, а вместе с ним оба этих стандарта охватывают более половины рынка флеш-карт. Рабочие напряжения у SM такие же, как и у CF, но обычно используется 3,3 В. Максимальная емкость карт, объявленная производителями, в частности компаниями EMTEC и Delkin, составляет 128 Мбайт. Из-за отсутствия внутреннего контроллера для работы с этими картами невозможно применить пассивный переходник, а считыватели для них стоят около 50 долл. К сожалению, SМ не дешевле, чем CF.


Memory Stick



Некогда Sony заставила компьютерную индустрию выбрать в качестве сменных носителей свои 3,5-дюймовые флоппи-дисководы, а теперь она решила позаботиться о своих позициях и на аудио рынке, для чего разработала новый стандарт флеш-карт Memory Stick (MS).

Эти 10-контактные устройства размерами 21,5x50x2,8 мм и массой 4 г стали опорой цифровой империи Sony, которая устанавливает их в свои цифровые плееры, фотоаппараты и видеокамеры, также игрушки и другие устройства. Карты памяти Memory Stick имеют ёмкость до 16 Гб, а в некоторых подверсиях, Memory Stick Select, применялись два банка по 128 Мб на одной карте.


SecureDigital



Размер карты - 24 x 32 x 2,1 мм, что практически соответствует параметрам Magic Stick Duo. В настоящий момент анонсированы изделия емкостью от 8 до 512 MB при максимуме 16 GB. Скорость записи, что типично для флеш-карт, существенно зависит от объема и, следовательно, количества используемых чипов. Стандартная скорость записи составляет 2 MBps, но начиная с 512 MB носителей, она возрастает многократно до 10 MBps. Карты оснащены механическим переключателем защиты от записи, наподобие защелки "read-only" у флоппи-дисков. Каждая SD-карта содержит два контроллера: ввода/вывода и поддержки системы кодирования. Разъем состоит из девяти контактов, четыре из которых предназначены для передачи данных, один используется для передачи команд и еще один отведен под синхросигнал.


xD-Picture Card


Данный формат — своеобразное "логическое продолжение" SmartMedia, предложенное в 2002 г. компаниями Fujifilm и Olympus. Основные преимущества спроектированного изделия: сниженная себестоимость (экономия на внутреннем контроллере), небольшие размеры (20 x 25 x 1,7 мм) и невысокое энергопотребление. Аббревиатура xD означает eXtreme Digital, т. е. экстремально цифровые.


USB флеш-накопитель


USB флеш-накопитель — носитель информации, использующий флеш-память для хранения данных и подключаемый к компьютеру или иному считывающему устройству через стандартный разъём USB.