闪存芯片数据恢复研究与实现

存按照平面 、块和页来组织数据。一块 Ｆｌａｓｈ芯片一般含有 多个平面 ，平面 中含有相 同的数据块 和页寄存器 ，不 同平 面 的数据块可 以同时操作，成倍提高读写速度。块 由页组 成 ，是擦出的最小单位。页是写入的最小单位 ，包含数据 区和 备用 区 。
Ｆｌａｓｈ芯片数据读写通常是由主控制器操作 ，操作系统 收到用户的读 写请 求后 ，首先通过文件系统定位逻辑扇区 位置 ，然后通过底层驱动访 问存储设备 ，将读写请求信号 发送给主控制，主控制器根据 自己的算法找到逻辑扇区对 应物理存储介 质的块和页 ，读写数据。主控制器核心 算法 就是ＦＴＬ闪存转换层 ，功能包括坏块管理 、磨损平衡、逻 辑扇 区到物理扇 区地址映射 、ＥＣＣ校验。ＳＳＤ硬盘访问层 次 结 构 图如 下 ：
一 、 引言
随着移动存储的快速发展 ，目前 ｕ盘 、ＳＳＤ移动硬盘 的使用越来越普遍 ，用于存储大量电子数据。犯罪分子通 常利用其便利性随身携带存储重要数据 ，在遇到突发状况 时 ，会进行删 除操作或对存储介质进 行物理破坏 ，导致无 法使 用。移动存储介质的取证工作变得非常重要 ，获取里 面的电子数据有利于案件 的侦查和形成诉讼证据 ，尤其是 针对 损坏存储介 质 ，传统 删除数据恢 复方法 已经 不能使 用 。ＳＳＤ、Ｕ盘等新型存储设 备主要包括主控制器 、存储 芯片和外围逻辑 电路板。当主控制器或者外围逻辑电路板 出现 故 障 时 ，设 备 接入 电脑 后 会 无 法识 别 ，通 过 正 常 的数 据接 口无法读取数据 ，但是数据仍然保存在介质中。目前 国内外 比较 出名 的工具是俄 罗斯 ＡＣＥ实验 室的 ＰＣ３０００一 Ｆｌａｓｈ，它主要针对损坏的芯片进行数据恢复 ，但是对国内 芯 片支持度不好 。恢复成功率不高 ，很多情况下需要我们 手动恢复芯片数据 。本文主要研究一种技术方案 ，能够在 这种情 况下获取物理损坏 的Ｕ盘或者ＳＳＤ移动硬 盘中存储 的数 据 。
闪存芯片数据重组还原步骤如下 ： （１）闪存芯 片拆卸 ，通过热风 枪加热 ＴＳＯＰ两侧 引 脚 ，用镊 子取 下 芯片 ； （２）芯 片 数据 读 取 ．将芯 片 嵌 入到 ＴＳＯＰ转 换 座 ，连 接读卡器 ，获取芯片原始数据 ； （３）数据 存储 规律 分析 ，找出芯片块和页的布局方 式 ，是否有双通道 ，是否存在数据异或； （４）数据重组 。编写程序根据备用区坏块标记去掉 坏 块 ，根 据 ＭＢＲ、 ＤＢＲ、文 件 系统 表 等 固有 特 征 扇 区分 析 ＬＳＮ在 备 用 区 位 置 ，根 据 ＬＳＮ分 析 块 号 和 扇 区号 。重 新 排 列 扇 区 ； （５）文 件 系 统 还 原 ，根 据 文 件 系 统 特 征 ，从 数 据 重 组镜 像 中解析 出文 件 系统 ，导 出文 件 列表 。
传 统 物 理 磁 盘按 照盘 片 、磁 道 、扇 区 组织 数 据 。 而 闪
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图 １ 闪存 设 备 访 问层 次 图
坏 块 管理 ：当 编 程／擦 除数 据 块 时 ，会 造 成 Ｐａｇｅ Ｐｒ０ｑｒａｍ和Ｂｌｏｃｋ Ｅｒａｓｅ操作 时的错误 ，该数据块被主控标 记 为坏 块 ，坏 块 的 产 生与 Ｎａｎｄ Ｆｌａｓｈ的 制作 工 艺 和 读 写次 数相关。主控制器自身会管理一张坏块映射表 ，记录坏块 的物理地址信息 ，防止将正常数据 写入坏块。磨损平衡是
读取芯片镜像 后，需要研究逻辑地址到物理地址 映射 规律 。这也是Ｆｌａｓｈ芯片数据恢复的重点。由于操作系统在 写入数据时 ，经过 主控制器进行了转换 ，所 以逻辑上连续 扇区对应物理存储 并不是连续的。从芯 片读取到镜像后 ， 需要对芯片的数据 存储规律进行分析 ，逆 向主控芯片的映 射算法 ，还原出对应的文件系统。
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二 、闪存 芯片 工作原 理
闪存芯片存储介质主要包括 Ｎｏｒ Ｆｌａｓｈ和Ｎａｎｄ Ｆｌａｓｈ， Ｎｏｒ Ｆｌａｓｈ”ｊ拥有独立的数据总线和地址总线 ，能快速 随机 读 取 ，主 要 应 用 于 代 码 存 储 。 Ｎａｎｄ Ｆｌａｓｈｅｒ比于 Ｎｏｒ Ｆｌａｓｈ编程速度更快 、擦 除时 间更短 、适用于大数据量读 写 ，广 泛应 用于ＳＳＤ和Ｕ盘等存 储设备 ，课题 主 要针对 Ｎａｎｄ Ｆｌａｓｈ进行研 究。芯片通常采 用ＴＳＯＰ￣ＤＢＧＡ两种方 式封装 ，当主控制器或者外围逻辑电路板 出现故障时 ，需 要 将 存 储 芯 片 从 电路 板 上 焊 下 ，使 用 专 用读 取 设 备 获取 数 据 。然后对芯片镜像进行分析。
５Ｏ ｌ警察圜圜 ２ｏ１６：ｉ！￣－第１期
为了延长Ｆｌａｓｈ芯片的使用寿命 ，降低单一数据块的写入和 擦 出次数 ，将写入操作平均分散到 整个芯片 中，防止坏块 的产 生 。
三 、数据 恢 复方 法
针对物理损坏 的Ｕ盘或者ＳＳＤ移动硬盘 ，正常读写接 口已经不 能 使 用 ，首 先需 要拆 卸 存储 芯 片 。ＴＳＯＰ封 装在 芯 片的周围做出引脚 ，采用表面安装技术直接附着在ＰＣＢ板 的表面 。可以使用热 风枪将 引脚吹化 ，取 出芯 片嵌 入到 ＴＳＯＰ读卡器 ，获取数据。ＢＧＡ是球栅 阵列 封装 ，引脚 以 圆形或柱状焊点按 阵列形式分布在封装下面。由于 引脚没 有暴露在外 ，通过热风枪焊接容易对数据造成损坏 ，可 以 通过 ＢＧＡ拆卸返修台取 出芯片 。然后通过 ＢＧＡ读卡器获取 数据 。
Ｆｌａｓｈ芯 片的最小写入单位是页 ，芯片物理存储结构包 含正 常数据区和备用区。每页数据区一般是文件系统 多个 连续 扇 区，大小 是５１２的倍 数。备 用 区包括坏 块标 记 、 ＬＳＮ（逻辑地址 编号 ）、ＥＣＣ校验码等。数据重组还原需 要分析备用区字节信息 ，找到字节代表 的具体含义。首先 根据ＭＢＲ、ＤＢＲ、文件系统表等 固有特征 ，查 看数据存 储时是否有异或运算、字节交错和通道交错等。最后根据 ＬｓＮ对数据进行重组 ，生成芯片的逆 向算法。
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闪存芯片数据 恢复研究与实现
王 旭 鹏 熊雄 张 勇 公 安 部 第三 研 究所
摘 要 ：探讨一种芯片级别的数据恢复方法 ，针对物理损坏的Ｕ盘 ，能够直接从存储芯片中提取数据 ，通过数据重组算法还 原出文件系统。实验表明 ，此方法可以有效还原出Ｕ盘原有数据。
关键词：闪存芯片 数据恢复 电 陬 证