uClinux系統平臺下的Flash存儲技術(shù)

在過(guò)去的二十年里，ROM和EPROM一直是嵌入式系統的存儲設備的首選。但是，今天越來(lái)越多的嵌入式系統設計者采用Flash這種可讀寫(xiě)的存儲設備進(jìn)行設計開(kāi)發(fā)。

Flash存儲技術(shù)

在過(guò)去的二十年里，ROM和EPROM一直是嵌入式系統的存儲設備的首選。但是，今天越來(lái)越多的嵌入式系統設計者采用Flash這種可讀寫(xiě)的存儲設備進(jìn)行設計開(kāi)發(fā)。

Flash主要分為NOR和NAND兩類(lèi)。NOR和NAND是現在市場(chǎng)上兩種主要的非易失閃存技術(shù)。Intel于1988年首先開(kāi)發(fā)出NOR Flash技術(shù)，徹底改變了原先由EPROM和EEPROM一統天下的局面。緊接著(zhù)，1989年，東芝公司發(fā)表了NAND Flash結構，強調降低每比特的成本，更高的性能，并且象磁盤(pán)一樣可以通過(guò)接口輕松升級。

NOR的特點(diǎn)是芯片內執行(XIP, eXecute In Place)，這樣應用程序可以直接在Flash閃存中運行，而不必再把代碼讀到系統RAM中。NOR的傳輸效率很高，在1～4MB的小容量時(shí)具有很高的成本效益，但是很低的寫(xiě)入和擦除速度大大影響了它的性能。

NAND結構能提供極高的單元密度，可以達到高存儲密度，并且寫(xiě)入和擦除的速度也很快。但應用NAND的困難在于Flash的管理需要特殊的系統接口。

但是歷經(jīng)十多年之后，仍然有相當多的硬件工程師分不清NOR和NAND閃存。因為大多數情況下閃存只是用來(lái)存儲少量的代碼，這時(shí)NOR閃存更適合一些。“Flash存儲器”便經(jīng)常與“NOR存儲器”互換使用。但NAND則是高數據存儲密度的理想解決方案。

下面對二者作較為詳細的比較：

性能比較

Flash閃存是非易失存儲器，可以對稱(chēng)為塊的存儲器單元塊進(jìn)行擦寫(xiě)和再編程。任何Flash器件的寫(xiě)入操作只能在空或已擦除的單元內進(jìn)行，所以大多數情況下，在進(jìn)行寫(xiě)入操作之前必須先執行擦除。NAND器件執行擦除操作是十分簡(jiǎn)單的，而NOR則要求在進(jìn)行擦除前先要將目標塊內所有的位都寫(xiě)為0。

由于擦除NOR器件時(shí)是以64～128KB的塊進(jìn)行的，執行一個(gè)寫(xiě)入/擦除操作的時(shí)間為5s，與此相反，擦除NAND器件是以8～32KB的塊進(jìn)行的，執行相同的操作最多只需要4ms。

執行擦除時(shí)塊尺寸的不同進(jìn)一步拉大了NOR和NADN之間的性能差距，統計表明，對于給定的一套寫(xiě)入操作(尤其是更新小文件時(shí))，更多的擦除操作必須在基于NOR的單元中進(jìn)行。這樣，當選擇存儲解決方案時(shí)，設計師必須權衡以下的各項因素。

● NOR的讀速度比NAND稍快一些。

● NAND的寫(xiě)入速度比NOR快很多。

● NAND的4ms擦除速度遠比NOR的5s快。

● 大多數寫(xiě)入操作需要先進(jìn)行擦除操作。

● NAND的擦除單元更小，相應的擦除電路更少。

接口差別

NOR Flash帶有SRAM接口，有足夠的地址引腳來(lái)尋址，可以很容易地存取其內部的

每一個(gè)字節。

NAND器件使用復雜的I/O口來(lái)串行地存取數據，各個(gè)產(chǎn)品或廠(chǎng)商的方法可能各不相同。8個(gè)引腳用來(lái)傳送控制、地址和數據信息。

NAND讀和寫(xiě)操作采用512字節的塊，這一點(diǎn)有點(diǎn)像硬盤(pán)管理此類(lèi)操作，很自然地，基于NAND的存儲器就可以取代硬盤(pán)或其他塊設備。

容量和成本

NAND Flash的單元尺寸幾乎是NOR器件的一半，由于生產(chǎn)過(guò)程更為簡(jiǎn)單，NAND結構可以在給定的模具尺寸內提供更高的容量，也就相應地降低了價(jià)格。

NOR Flash占據了容量為1～16MB閃存市場(chǎng)的大部分，而NAND Flash只是用在8～128MB的產(chǎn)品當中，這也說(shuō)明NOR主要應用在代碼存儲介質(zhì)中，NAND適合于數據存儲，NAND在CompactFlash、Secure Digital、PC Cards和MMC存儲卡市場(chǎng)上所占份額最大。

可靠性和耐用性

采用Flash介質(zhì)時(shí)一個(gè)需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題是可靠性。對于需要擴展MTBF的系統來(lái)說(shuō)，Flash是非常合適的存儲方案?？梢詮膲勖?耐用性)、位交換和壞塊處理三個(gè)方面來(lái)比較NOR和NAND的可靠性。

壽命(耐用性)

在NAND閃存中每個(gè)塊的最大擦寫(xiě)次數是一百萬(wàn)次，而NOR的擦寫(xiě)次數是十萬(wàn)次。NAND存儲器除了具有10比1的塊擦除周期優(yōu)勢，典型的NAND塊尺寸要比NOR器件小8倍，每個(gè)NAND存儲器塊在給定的時(shí)間內的刪除次數要少一些。

位交換

所有Flash器件都受位交換現象的困擾。在某些情況下(很少見(jiàn)，NAND發(fā)生的次數要比NOR多)，一個(gè)比特位會(huì )發(fā)生反轉或被報告反轉了。

一位的變化可能不很明顯，但是如果發(fā)生在一個(gè)關(guān)鍵文件上，這個(gè)小小的故障可能導致系統停機。如果只是報告有問(wèn)題，多讀幾次就可能解決了。

當然，如果這個(gè)位真的改變了，就必須采用錯誤探測/錯誤更正(EDC/ECC)算法。位反轉的問(wèn)題更多見(jiàn)于NAND閃存，NAND的供應商建議使用NAND閃存的時(shí)候，同時(shí)使用EDC/ECC算法。這個(gè)問(wèn)題對于用NAND存儲多媒體信息時(shí)倒不是致命的。當然，如果用本地存儲設備來(lái)存儲操作系統、配置文件或其他敏感信息時(shí)，必須使用EDC/ECC系統以確?？煽啃?。

壞塊處理

NAND器件中的壞塊是隨機分布的。以前也曾有過(guò)消除壞塊的努力，但發(fā)現成品率太低，代價(jià)太高，根本不劃算。NAND器件需要對介質(zhì)進(jìn)行初始化掃描以發(fā)現壞塊，并將壞塊標記為不可用。在已制成的器件中，如果通過(guò)可靠的方法不能進(jìn)行這項處理，將導致高故障率。

易用性

可以非常直接地使用基于NOR的閃存，可以像其他存儲器那樣連接，并可以在上面直接運行代碼。

由于需要I/O接口，NAND要復雜得多。各種NAND器件的存取方法因廠(chǎng)家而異。在使用NAND器件時(shí)，必須先寫(xiě)入驅動(dòng)程序，才能繼續執行其他操作。向NAND器件寫(xiě)入信息需要相當的技巧，因為設計師絕不能向壞塊寫(xiě)入，這就意味著(zhù)在NAND器件上自始至終都必須進(jìn)行虛擬映射。

軟件支持

當討論軟件支持的時(shí)候，應該區別基本的讀/寫(xiě)/擦操作和高一級的用于磁盤(pán)仿真和閃存管理算法的軟件，包括性能優(yōu)化。

在NOR器件上運行代碼不需要任何的軟件支持，在NAND器件上進(jìn)行同樣操作時(shí)，通常需要驅動(dòng)程序，也就是內存技術(shù)驅動(dòng)程序(MTD)，NAND和NOR器件在進(jìn)行寫(xiě)入和擦除操作時(shí)都需要MTD。

使用NOR器件時(shí)所需要的MTD要相對少一些，許多廠(chǎng)商都提供用于NOR器件的更高級的軟件，這其中包括M-System的TrueFFS驅動(dòng)，該驅動(dòng)被Wind River System、Microsoft、QNX Software System、Symbian和Intel等廠(chǎng)商所采用。驅動(dòng)還用于對DiskOnChip產(chǎn)品進(jìn)行仿真和NAND閃存的管理，包括糾錯、壞塊處理和損耗平衡。