Программы, приемы и методы восстановления данных с флеш-носителей

 

Содержание

Введение……………………………………………………………………2

1. История создания Flesh-памяти……………………………………….4

    1.1 Общие принципы работы Flesh –памяти…………………………6

    1.2 Архитектура Flesh –памяти………………………………………10

2. Методы восстановления данных……………………………………...13

3. Программы для восстановления  данных…………………………….18

Заключение………………………………………………………………...24

Список использованных источников…………………………………….25

 

Введение

Технология  флеш-памяти появилась в 1984 году. Флеш-память (EEPROM) использовали как  альтернативу UV-EPROM. Спрос на флеш-память с каждым годом увеличивается, а цена стремительно падает. Флеш-память широко используется практически во всех современных переносных и носимых устройствах, включая мобильные (сотовые) телефоны, музыкальные плееры, смартфоны, планшетные ПК, нетбуки, ноутбуки и т.д. . А так же применение флэш-памяти во внешних устройствах хранения: карты памяти всех видов и типов; накопители SSD (Solid State Disk, твердотельные диски) и eMMC накопители[1], образец работы жестких дисков основывается на микросхемах флэш-памяти; а также всевозможные USB-диски (флэшка, флэш-накопитель, флэш-драйв и т.п.).

Несмотря на повсеместное применение флеш-памяти серьезным проблемой является потеря данных, хранящихся в ней. Потеря данных по различным причинам: удаление файлов (случайное или под действием вирусов) и механическое повреждение носителя. В обоих случаях существуют способы вернуть потерянную информацию.

Цель данной курсовой работы заключается в том, изучить и проанализировать программное обеспечение по восстановлению данных.

В соответствии с поставленной целью в работе будут решены следующие задачи:

• выявить причины удаления данных;
• провести анализ по программам восстановления данных;
• сделать вывод на основе проведенного исследования.

Структурно  работа состоит из введения, трех разделов, заключения, списка использованных источников.

 

1. История создания  Flesh-памяти

Первой энергонезависимой  памятью была ROM (ПЗУ) - Read Only Memory. Из названия становится понятно, что данный тип  имеет единственный цикл записи. Он исполняется сразу при производстве, путем нанесения алюминиевых дорожек между ячейками ROM литографическим методом. Наличие такой дорожки значит 1, отсутствие 0. Данный вид памяти не приобрел большой популярности, поскольку процесс производства микросхемы ROM занимает (от 4 до 8 недель). При этом стоимость памяти достаточно невысокая(при больших объемах производства), а информацию с нее можно стереть исключительно физическим либо термальным воздействием. Собственно на ROM прогресс не завершился. Появилась острая потребность в перезаписи памяти, а выпускать ПЗУ с новыми данными было дорого и нерационально. В следствии этого ROM заменила PROM (Programmable ROM). Микросхему с такой памятью можно было повторно (правда, единично) прожигать с помощью специального устройства – программатора. Оказывается, PROM производилась немного по иной технологии. Дорожки между ячейками были заменены плавкими перемычками, которые могли быть разрушены методом подачи высокого напряжения на микросхему. По конструкции перемычки представляют собой интегральный элемент из титаново-вольфрамового сплава. Таким образом, появляется единственный цикл перезаписи.

ROM и PROM относятся  к виду не перезаписываемой  энергонезависимой памяти. В 1971 году Intel выпускает абсолютно новую  микросхему памяти под аббревиатурой EPROM (Erasable Programmable ROM). Эту микросхему возможно было подвергать неоднократной перезаписи путем облучения чипа рентгеновскими лучами. Память, стираемая ультрафиолетом, появляется несколько позже и носит аббревиатуру UV-EPROM. В этой микросхеме имеется маленькое окошко с кварцевым стеклом. За ним находится кристалл, который облучается ультрафиолетом. После стирания информации окошко заклеивают. Частичная перезапись данных как и прежде остается невыполнимой, поскольку рентгеновские и ультрафиолетовые лучи изменяют все биты стираемой области в положение 1. Повторная запись данных осуществляется и еще на программаторах (как в ROM и EROM). EPROM базируется на МОП (металл-оксид-полупроводник) транзисторах. Запись данных в ячейки такого транзистора производилась методом лавинной инжекции заряда. Данный метод позволяет многократно перезаписывать данные памяти (хотя количество циклов ограниченно). Таким образом, вместе с EPROM рождается поколение NVRWM, что расшифровывается как NonVolatile Read-Write Memory. Несмотря на совершенно новую технологию, он был вытеснен с рынка другими видами памяти.

В 1979 году Intel разрабатывает новый вид памяти, которая может быть перезаписана частями. При помощи электрического тока становилось возможным изменение данных в конкретной ячейке микросхемы. Данное нововведение сокращало время программирования, и 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. Потому что технология производства такой памяти была слишком сложная, поскольку возросло 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 очень быстро теряет позиции на рынке.[2]

 

1.1.Общие принципы работы Flesh –памяти

Ячейки флеш-памяти бывают как на одном, так и на двух транзисторах. В простом 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 одни из двух методов: методом инжекции «горячих» электронов либо методом туннелирования электронов. Стирание содержимого ячейки (снятие заряда с «плавающего» затвора) производится методом туннелирования. В большинстве случаев, наличие заряда на транзисторе понимается как логический «0», а его отсутствие - логическая «1». Современная флеш-память обычно изготавливается по 0,13- и 0,18-микронному техпроцессу. Принцип чтения микросхемы Flash достаточно 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). Происходит это за счет туннельного эффекта, а данные памяти можно считывать с истока. В случае 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 (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, довольно подать высокое положительное напряжение на исток. Под воздействием напряжения отрицательные электроны с “плавающего” затвора (благодаря туннельному эффекту) переходят в область истока. Процесс длятся до полной разрядки затвора. Ускорить метод туннелирования электронов можно путем подачи дополнительного высокого отрицательного напряжения на управляющий затвор. Эффект туннелирования - эффект, использующий волновые свойства электрона. 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 данный слой обычным способом электрон не может - не хватает энергии. Но при создании определённых условий (соответствующее напряжение) электрон проскакивает слой диэлектрика (туннелирует сквозь него), создавая ток. Главное, 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. 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, также алгоритмы, направленные на равномерное использование всех ячеек в процессе работы.[3]

        Простейшая ячейка флеш-памяти  на одном n-p-n транзисторе, чаще  применяемая во flesh-памяти с NOR архитектурой, еще и в микросхемах  EPROM, зависит от поведения транзистора: от количества электронов на «плавающем» затворе, хранившем фиксированное значение. Помещение заряда на затвор совершается методом инжекции «горячих» электронов (CHE-channel hot electrons), а снятие заряда - методом туннелирования Фаулера-Нордхейма (Fowler-Nordheim [FN]). [4]

 

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

 

Различия  методов тунеллирования Фаулера-Нордхейма (FN)  и метода инжекции «горячих» электронов:

Channel FN tunneling – не требует большого напряжения.

CHE injection (CHEI) –требует более высокого напряжения, в сравнении с FN. Для работы памяти требуется поддержка двойного питания.

Программирование  методом CHE осуществляется быстрее, чем методом FN.

Процедура стирания и записи в значительной степени  изнашивают ячейку флеш-памяти, вследствие этого производители для оптимизации процесс стирания-записи и равномерного использования ячеек применяют специальные алгоритмы.

          Многоуровневые ячейки

 

 

 

 

Технология  хранения двух и более бит информации в одной ячейке поучила название MLC (multilevel cell-многоуровневая ячейка). MLC способна различать более двух величин зарядов, помещенных на «плавающий» затвор, и большее число состояний. Каждому состоянию соответствует конкретная комбинация значений бит. При записи на «плавающий» затвор помещается количество заряда равному соответствующему состоянию. От величины заряда на «плавающем» затворе зависит пороговое напряжение транзистора. Пороговое напряжение транзистора можно измерить при чтении и определить по нему записанное состояние, следовательно, записанную последовательность бит.1.2. Архитектура Flesh –памяти

Существует  несколько типов архитектур флэш-памяти, но наибольшее распространение получили архитектуры NOR и NAND.

Архитектура NOR

    
Архитектура NOR (английская аббревиатура — NOR) логической операции ИЛИ-НЕ: единичное значение на битовой линии будет наблюдаться лишь в том случае, когда значение всех ячеек, подключенных к данной битовой линии, равно нулю (все транзисторы закрыты). Каждый транзистор-ячейка подключен к линиям: Word Line (линия слов) и Bit Line (линия бит). Для инициализации ячейки памяти, для получения доступа к содержимому ячейки, необходимо подать напряжение на управляющий затвор. Поэтому все управляющие затворы должны быть подсоединены к линии управления, называемой линией слов (Word Line). Анализ содержимого ячейки памяти выполняется по уровню сигнала на стоке транзистора. Вследствие этого стоки транзисторов подключаются к линии, называемой линией битов (Bit Line).

Архитектура NOR гарантирует  свободный быстрый доступ к памяти, но процессы записи (используется метод инжекции горячих электронов) и стирания информации происходит достаточно медленно. Вследствие технологических особенностей производства микросхем флэш-памяти с архитектурой NOR, размер самой ячейки получается весьма большим и потому такая память плохо масштабируется.

Архитектура NAND

 

Распространенной  архитектурой флэш-памяти является архитектура NAND, соответствующая логической операции И-НЕ. Операция NAND дает нулевое значение, когда все операнды равны нулю, и единичное значение во всех других вариантах. Нулевое значение соответствует открытому состоянию транзистора, а  единичное значение — когда хотя бы один из транзисторов закрыт. Архитектуру NAND можно организовать, если подключать транзисторы с битовой линии последовательными сериями. NAND позволяет добиться наиболее компактного расположения транзисторов, а значит, хорошо масштабируется. В архитектуре NAND запись осуществляется методом туннелирования FN, что позволяет реализовать более быструю запись. Чтобы уменьшить эффект низкой скорости чтения, микросхемы NAND снабжаются внутренним кэшем.

         Флеш-память используется практически  во всех современных устройствах:  сотовых телефонах, портативных  компьютерах,mp3-плейерах, цифровых видеокамер  и фотоаппаратах. Флеш-память используется в любых компьютерных комплектующих: микросхема BIOS на материнской плате, прошивки различных устройств (CD-Rom, видеокарта, звуковая карта, модем). Модемы с микросхемами флеш-памяти могут принимать и отправлять данные даже при выключенном компьютере. Флеш-память разработана и применяется, чтобы облегчить работу системы, в которой она используется, и повысить ее производительность. За счет обновления информации через флеш-память система (например, модем, звуковая карта и т.д.) в гораздо меньшей степени использует оперативную память компьютера. Тем самым повышается производительность не только одного прибора, но и всего компьютера в целом. Внедрение микросхем флеш-памяти тпозволит снизить стоимость оборудования. Флеш-память, используя блочную архитектуру, полностью заменила собой микросхемы, стираемые целиком.

 

 

2. Методы восстановления данных

Восстановление данных с flesh носителя может потребоваться в случае некорректного подключения/извлечения устройства, механической поломки и воздействия жидкости, в результате воздействия статического электричества, сбоя и деградации flash-памяти.

Программно-аппаратный комплекс, предназначенный для восстановления информации со всех типов накопителей на основе NAND флеш- памяти (USB Flash, SD, MS,XD, MMC, CF, VoiceRecorder, iPhone, и SSD - твердотельный накопитель) , в ситуации, когда доступ к данным посредством штатного интерфейса накопителя невозможен. К данной категории относятся как физически поврежденные накопители, так и все случаи логических разрушений как в структуре файловой системы данных пользователя, так и в служебных данных накопителя. Комплекс, выполняя роль программного транслятора при доступе к данным, разрешает воспроизвести алгоритм работы штатного контроллера накопителя и восстанавливает начальное представление данных так, как их записал пользователь. Например, PC-3000 Flash SSD Edition  6.2.

        Контроллер, находящийся во флеш-накопителях, кроме реализации собственно интерфейса, выполняет специфичные алгоритмы распределения данных по объему микросхем флеш-памяти с целью контроля равномерности износа отдельных ячеек NAND памяти. Соответственно, неисправность контроллера приводит к невозможности доступа  к данным флеш-накопителя в корректном виде. В подобных случаях необходимо выпаивать все микросхемы флеш-памяти из накопителя и считывать их содержимое. Для этих целей в PC-3000 Flash SSD Edition  6.2.входит специализированное устройство считывания (PC Flash Reader).

Программная часть комплекса, взаимодействуя с аппаратной частью, позволяет получить доступ к данным пользователя, посредством восстановления алгоритма трансляции к содержимому микросхем флеш-памяти. Итогом работы является восстановление корректного доступа к содержимому флеш-накопителя. При логических нарушениях используются все инструменты логического восстановления комплекса Data Extractor UDMA, содержащий не только значительный список автоматических режимов восстановления и анализа, но и широкие возможности для ручной работы с задачей, с помощью широкого набора специализированных утилит. И еще, в состав комплекса входит база алгоритмов работы контроллеров, позволяющая ускорить процесс восстановления данных с флеш-диска при помощи прямого указания типа контроллера. Кроме автоматических режимов комплекса есть:

• Режим вычитывания для микросхем, читающихся с большим числом битовых ошибок.
• Режим «Битовое представление».
• Добавлена утилита для Samsung MLC SSD.
• Добавлена утилита для SSD Intel Postville (Intel 320 Series, Intel X-25      (G2)) (дисков с аппаратным шифрованием).
• Добавлена частичная поддержка микросхем TLC WL.
• Исправлены ошибки, обнаруженные в предыдущих версиях.
• Исправлена ошибка DAX Error, возникающая при запуске комплекса на серверных ОС.