2019年08月07日 | 技术文章—USB闪存盘原理构造详解

USB闪存盘也称为U盘、随身碟或者拇指碟，它依然是最受欢迎的便携式存储设备，其年销售额预计将在2020年迈过5亿美元大关。虽然云存储也在相同的市场空间中取得了不错的进展，但USB闪存盘在容量、速度和尺寸上依然具备优势，这也让它能够适用于除了存储之外的许多其他用途，包括一些让人们颇感意外的用途。本文中，我们将探讨USB闪存盘的内部构造，探索适合USB闪存盘的各种用途。

揭示内部构造

USB闪存盘通常由USB连接器、存储控制器、闪存芯片、晶体振荡器、跳线、LED、开关和无载空间等功能组件构成（图1）：

图1：USB闪存盘通常采用的内部组件

1、USB标准Type-A公连接器，用于和计算机主机连接

2、USB大容量存储控制器，此为一块带有片上ROM和RAM的微控制器

3、测试点，用于将代码加载到微控制器中

4、闪存芯片，用于存储数据

5、晶体振荡器，用于产生时钟信号以及控制数据输出

6、LED，用于表明数据传输处于活动状态

7、写保护开关，用于启用和禁用数据写入

8、无载空间，预留给第二块闪存芯片使用

USB闪存盘的容量和速度正不断提高。512GB的U盘已逐渐普及，1TB容量的产品也已经出现，并且高端64GB USB 3.1产品的读写速度已普遍达到读171MB/s、写104MB/s。

最近，USB闪存盘已开始采用比Type-A连接器更小、更薄的Type-C连接器。它采用了对称的扁圆形状，可以轻松牢固地插入插口中，并且正反均可插入，再也不会出现USB插头插了三遍才插进去的尴尬场景。图2所示即为一款同时适用于这两种插口的U盘产品。

图2：USB Type-C/USB 3.0组合U盘（来源：SanDisk）

USB闪存盘的用途

虽然USB闪存盘是作为存储解决方案设计的，但凭借其小尺寸、大容量和便携性，用户正将U盘用于各种全新用途。例如，U盘可以用来部署便于普通消费者使用的便携式应用程序。当您离开办公室时，只需带上一个U盘，里面存入您需要使用的所有软件和个人数据，将它插到另一台计算机上，这时您就可以立即访问到自己的所有信息。拔下U盘后，您也不会在这台计算机上留下任何个人数据。

U盘也让安装和更新软件变得更加简单。例如，PortableApps.com提供300多种应用程序的轻量级版本，包括办公套件、浏览器、图像编辑器和游戏等。需要注意的是，运行便携式应用程序确实会增加写入周期的数量，这可能会缩短U盘的使用寿命。

高端应用

不同等级的USB闪存盘适用于不同用途。例如，Swissbit提供的存储产品适用于极其注重性能和可靠性的应用领域，包括通信和网络、工业、嵌入式应用、军事和航空航天、交通、博彩业以及医疗设备市场。该公司的unitedCONTRASTII系列USB 2.0闪存盘采用高端USB 2.0闪存控制器，以实现更高的数据可靠性和耐用性。该系列产品搭载基于循环（BCH - Bose Chaudhure Hocquenghem）码引擎的纠错引擎，每个扇区最多可纠正八个随机误码。图3所示为该系列闪存盘的内部框图。

图3：一款高端纠错USB闪存盘的系统框图（来源：Swissbit）

对于安全应用，亦有加密U盘产品可以对所有数据进行256位AES加密，部分此类产品甚至自带微型键盘用来输入密码。该类产品必须搭载专用的闪存控制器，例如MicrochipSEC2410。该器件基于32位ARM CortexM3微控制器，带有一个USB 2.0接口和硬件AES加密引擎。

工业间谍活动

虽然大多数计算机病毒、蠕虫等恶意软件都以电子邮件附件、软件下载或社交媒体作为传播和感染方式，但USB闪存盘也是一种高效传播途径，对于不联网的计算机更是如此。臭名昭著的Stuxnet病毒就是通过U盘传播的一个例子，业界普遍认为有匿名攻击者通过这种方式感染了伊朗核计划所采用的设备，而该病毒只对伊朗用于其铀浓缩离心机的西门子Step7可编程逻辑控制器（PLC）软件发动攻击。此外，通过USB传播的恶意软件还可以双向传播：如果将未受感染的U盘插入受感染的计算机，也可能无意中帮助传播感染。

计算机取证（COFEX）

通过USB植入不请自来的程序，这并非不法分子（所谓＂黑帽＂黑客）的专利。借助计算机取证技术，＂白帽＂黑客可以收集并固定计算机中的证据，供日后在法庭上出示。通常，调查人员会通过USB闪存盘来访问目标计算机。例如，Microsoft为法医调查员提供一种名为Computer Online Forensic Evidence Extractor （COFEE）的工具，它可以帮助调查员提取Windows计算机上包括密码在内的各种信息并收集所需的数据，而该工具的载体正是USB闪存盘。其他供应商亦提供类似工具。

安全钥匙

在大规模、广为人知的数据泄露大行其道的年代，确保个人和专业数据的安全性始终是一大难题。一些商业和开源站点可提供相应的软件将USB闪存盘转换为安全钥匙，运行在计算机上的配套实用程序则不断检查存储在该U盘上的加密密钥是否存在，并且只在插入该U盘的情况下正常运行，一旦将其拔出，计算机便会自动锁定，必须输入密码才能访问。

部分程序在此基础上更进一步：在您离开期间，一旦有未经授权的用户试图访问您的计算机，安全程序便会自动拍下该人的照片，亦会在有人输入错误的密码时发出警报声。