Wie funktioniert ein USB Stick?

Seit knapp 20 Jahren ist er wohl das portable Speichermedium schlechthin. Ich denke, es gibt kaum einen Computer Besitzer, der nicht mindestens einen USB Stick besitzt. Selbst Betriebssysteme wie Microsofts Windows lassen sich seit geraumer Zeit via USB Stick installieren. Zumal es für einige Notebooks ohne optisches Laufwerk auch gar keine andere Möglichkeit mehr gibt.

Natürlich ist dies alles nur möglich, weil mit der Zeit der Speicherplatz eines gewöhnlichen USB Sticks immer größer und vor allem auch billiger wurden. Mittlerweile taugen solche USB Sticks preislich sogar als Werbegeschenk. Ich kenne es zum Beispiel auch, dass man auf Seminaren oder Infoveranstaltungen Handouts, die man früher auf Papier bekam, sehr oft einfach als PDF auf einem USB Stick ausgehändigt bekommt.

Worüber sich allerdings wohl die wenigsten Gedanken machen: Wie funktioniert so ein USB Stick eigentlich?

Der grundsätzliche Aufbau eines USB Sticks

Grundsätzlich gilt es hier erst einmal zu erklären, wie ein USB Stick augebaut ist:

Transistoren, Drain, Source und Floating Gate

Auf einem USB Stick befinden sich zunächst einmal Transistoren. Die sogenannte Flashspeicherzellen. Die bestehen aus Silizium. Also einem Halbleiter. Zusätzlich befinden sich zwei kleinere Bereiche auf diesen Zellen, die aus deutlich leitfähigeren Material hergestellt sind. Diese Bereiche nennen sich Source (Quelle) und Drain (Abfluss).

Vom Rest durch einen Isolator getrennt befindet sich zwischen Source und Drain das sogenannte Floating Gate. Dieses Floating Gate ist dann auch der eigentliche Speicherort der Flashzelle. Mit diesem Floating Gate verbunden ist das Steuergate. Dieses ist in der Lage eine positive oder eine negative Spannung an das Floating Gate anzulegen.

Der 0-Zustand einer Zelle

Legt man nun an das Steuer Gate eine positive Spannung (3,3 Volt) an, so entsteht ein Kanal zwischen Source und Drain. Durch diesen Kanal kann dann Strom fließen. Genannt wird dieser Zustand dann 0 Zustand. Und somit sind wir wieder beim Digitalen 0 und 1. Also die Zustände die jede Zelle annehmen kann. Aus der Gesamtheit an Zuständen einer großen Zahl an Zellen lassen sich somit Daten auslesen.

USB Stick

Daten auf dem USB Stick speichern

Doch wie kommen die Daten jetzt auf den USB Stick bzw wie werden sie dort gespeichert?

Zunächst einmal gilt, dass der Normalzustand einer Zelle der informationslose 0 Zustand ist. Soll in der Zelle nun eine Information gespeichert werden, dann muss der 1 Zustand erreicht werden. Hierzu wird eine relativ hohe Spannung von ca 10 Volt angelegt.

Nun springen Elektronen von Source und Drain ist das Floating Gate, was zur Folge hat, dass dieses negativ geladen wird. Diese Elektronen können aufgrund der Isolierung des Floating Gates allerdings nicht entweichen und somit ist nun eine Information gespeichert.

Daten auslesen

Nun lassen sich die gespeicherten Informationen natürlich auch wieder lesen. Hierzu wird einfach eine kleine Spannung (3,3 Volt) angelegt und dann der Stromfluss zwischen Source und Drain gemessen.

Im 0 Zustand fließt, wie schon gesagt Strom. Und im 1 Zustand fließt kein Strom, weil das negativ geladene Floating Gate dem entgegen wirkt.

Löschen der Informationen einer Zelle auf dem Stick

Um nun wiederum eine Information aus einer Zelle zu löschen, muss diese wieder in den 0 Zustand geführt werden. Hierzu wird eine hohe negative Spannung angelegt.

Das führt dazu, dass die negativen Elektronen abgeführt werden und der Kanal zwischen Source und Drain sich wieder öffnet.

4 GB = 32 Milliarden Speicherzellen

Natürlich befinden sich auf einem USB Stick Milliarden solcher Zellen von denen jeder Zelle den Zustand 1 oder 0 annehmen kann. Und ja richtig, jede Zelle stellt somit ein Bit dar. 8 Bit ergeben ein Byte und somit ergibt sich, dass ein relativ kleiner 4 GB USB Stick etwa 32 Milliarden einzelen Speicherzellen besitzt.

Den hierdurch entstehenden Binärcode kann ein Computer bekanntermaßen nutzen.

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About Andreas Rabe

IT Spezialist, Blogger und Hesse. > Ich habe keine Lösung, aber ich bewundere das Problem. Wenn bereits der Ansatz falsch ist, so führt strenge Logik unweigerlich zum falschen Ergebnis. Nur Unlogik gibt Dir jetzt noch die Chance, wenigstens zufällig richtig zu liegen.

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