當今嵌入式系統(tǒng)的復雜性和伴隨的內(nèi)存子系統(tǒng)有時可能會給新手工程師帶來學習曲線。內(nèi)存包括作為臨時（易失性）或持久性（非易失性）存儲“容器”運行的硬件組件。這些帶電電路的神奇金塊存儲信息狀態(tài)并用于指令（二進制代碼）并將數(shù)據(jù)組織為可尋址字節(jié)（8 位）、雙字節(jié)（16 位）和四字節(jié)（32 位）。

與控制內(nèi)存子系統(tǒng)等資源的嵌入式操作系統(tǒng) （OS） 相結(jié)合，軟件會指示處理器 （CPU） 沿地址線發(fā)送電流脈沖，以識別芯片中存儲數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換位置。該脈沖可以打開或關(guān)閉連接到數(shù)據(jù)線的晶體管。當電脈沖到達地址線時，脈沖流過一個閉合的晶體管并為存儲相當于 1（開啟）位的電容器充電，相反，未充電的電容器代表 0（關(guān)閉）位。

1. 存儲信息位數(shù)組（部分顯示）。

易失性存儲器用作隨機存取存儲器（RAM）。其內(nèi)容僅在通電時保持不變。為了補充 RAM 的使用，在早期的嵌入式系統(tǒng)中，通常使用只讀存儲器 （ROM） 來運行操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序?？梢砸宰止?jié)（8 位）信息為單位訪問任一內(nèi)存源。

非易失性存儲器保留數(shù)據(jù)。對于傳統(tǒng)的 PC、Mac 和服務(wù)器，持久內(nèi)存存儲已用于存儲更大的可尋址字節(jié)容器——通常基于底層分組（稱為扇區(qū)）進行組織。物理尺寸和低功耗要求通常不是固定磁盤或固態(tài)設(shè)備 （SSD） 等存儲系統(tǒng)的優(yōu)先事項。對于尺寸和低功耗至關(guān)重要的小型嵌入式系統(tǒng)，情況并非如此。這種持久性存儲介質(zhì)要么是可移動的（SD 或 CF 卡，或 USB 閃存驅(qū)動器），要么是不可移動的，無論是否有電源，都應(yīng)保留其內(nèi)容。512 和 4192 KB 的塊是這些小型設(shè)備的常用大小。鑒于許多嵌入式系統(tǒng)的小尺寸，

易失性存儲器基礎(chǔ)知識

易失性內(nèi)存可用于讀取 CPU 執(zhí)行的指令，從而導致執(zhí)行某些操作時有時會將數(shù)據(jù)寫回內(nèi)存。當今強大的嵌入式 CPU 可以處理和訪問 32 位（甚至 64 位）值的信息。8 位計算的日子已經(jīng)一去不復返了。

RAM 被組織在一個或多個芯片中，并且可以與 CPU 和 I/O 端口一起駐留在同一封裝基板中，稱為片上系統(tǒng) （SoC），這在小型設(shè)備（如無人機、家庭傳感器）中很常見等），可用的電路板空間有限。

非易失性存儲器基礎(chǔ)知識

最初稱為閃存 RAM，閃存正在成為首選的永久存儲介質(zhì)，取代旋轉(zhuǎn)磁盤。Fujio Masuoka 博士于 1984 年在東芝工作時發(fā)明了閃存。他的同事 Shoji Ariizumi 先生想出了閃光燈這個名字，因為從細胞中擦除數(shù)據(jù)的過程讓他想起了相機閃光燈。

閃存是一種非易失性存儲器，經(jīng)過電氣編程以實現(xiàn)長期存儲。最初的電可擦可編程只讀存儲器 （EEPROM） 設(shè)備由列和行的網(wǎng)格組成，每個交叉點都有晶體管。一層薄薄的氧化物將每個晶體管與其他晶體管隔開。如果一個晶體管（浮動柵極）與另一個（控制柵極）鏈接，則單元的值為 1。如果此鏈接斷開，則該值變?yōu)?0。要將單元的值更改為 0，需要一個過程發(fā)生稱為 Fowler-Nordheim 的隧道效應(yīng)，它改變了電池的電荷水平。斷電時，單元應(yīng)保持其最后設(shè)置（如已編程或已擦除）。

認為閃存僅適用于相機和智能手機等消費類移動設(shè)備的看法是不正確的。在任何外形尺寸受限且需要永久數(shù)據(jù)存儲的系統(tǒng)中，經(jīng)常使用閃存。閃存既可以是常駐的（焊接到板上），也可以是非常駐的（通過 SD 和 USB 等行業(yè)標準端口的可移動設(shè)備）。閃存的美妙之處在于沒有可能對可靠性產(chǎn)生負面影響的移動部件，但與任何技術(shù)一樣，也有優(yōu)缺點，如表所示。

市面上有兩種基本類型的閃存——NOR 和 NAND。NOR 最初旨在取代 ROM、EPROM 和 EEPROM 非易失性存儲器。它有一套完整的地址線，允許讀取單個字節(jié)。事實上，讀取速度通常與 DRAM 一樣快，允許程序直接從 NOR 內(nèi)存運行 XIP（就地執(zhí)行）。然而，擦除非常慢并且只要不經(jīng)常執(zhí)行擦除操作就不是問題。NOR 最初用于可移動緊湊型閃存 （CF） 卡，是存儲操作系統(tǒng)映像、系統(tǒng)引導加載程序和系統(tǒng)配置信息的不錯選擇。

與 NOR 相比，NAND 的開發(fā)旨在實現(xiàn)更高的容量、更小的占地面積和更低的成本。但是，它僅限于串行接口。因此，不能直接訪問單個字節(jié)；讀取、寫入和擦除必須以塊（或塊）的形式執(zhí)行。該技術(shù)不適合替代 ROM，但非常適合替代硬盤驅(qū)動器。NAND 已成為可移動和常駐介質(zhì)的標準閃存技術(shù)，因此，它適用于需要低成本、高密度和快速擦除的應(yīng)用。

注意塊和頁面之間的區(qū)別。每個塊由多個頁面組成，其中頁面大小通常是小塊（512 字節(jié)）或大塊（2048、4096 字節(jié)等）。塊大小很重要，因為如果記錄大小是閃存介質(zhì)上使用的底層塊大小的偶數(shù)部分，您通常會獲得最佳結(jié)果。對于所有 NAND，數(shù)據(jù)以頁的形式寫入，但頁必須已經(jīng)被擦除（全為 1），并且只能擦除塊。

2. 頁面和塊。

如果我們不提及存儲單元是如何組織存儲信息位的，那么關(guān)于 NAND 的討論就不會完整。單級單元 （SLC） 每個單元存儲一位信息。隨著存儲容量的增加，已開發(fā)出多級單元 （MLC） 和三級單元 （TLC） 以在每個單元中存儲多個位。但是這種增加的容量有一些缺點。MLC 的寫入性能通常約為 SLC 的三分之一到二分之一。其增加的復雜性也會產(chǎn)生更多的位錯誤，需要更復雜的糾錯碼 （ECC） 來防止常見的數(shù)據(jù)錯誤情況。TLC 比其 SLC 和 MLC 同類產(chǎn)品具有更慢的傳輸速度、更高的錯誤率，需要更大的 ECC 以及更低的耐用性。當塊被寫入最少次數(shù)時，耐久性更好。

典型的 NAND 需要一個控制器來處理主機和閃存之間的命令和數(shù)據(jù)移動?？刂破魈峁┝藞?zhí)行塊讀取、寫入和擦除等基本操作的機制。許多設(shè)計包括一個僅提供這些功能的分立控制器，而將其他閃存管理活動（例如更換壞塊并確保均勻磨損）留給驅(qū)動程序軟件。一些芯片設(shè)計人員發(fā)現(xiàn)，可以通過在稱為托管 NAND 的同一物理封裝中包含帶有 NAND 閃存的內(nèi)置控制器來提高效率。這些復雜的控制器以較高的芯片成本為代價，卸載了一些計算密集型軟件管理，如圖 3 所示。

3. NAND 閃存與托管 NAND

這有效地使該部件能夠像典型的塊設(shè)備一樣運行，具有更簡單的主機文件系統(tǒng)接口。由于托管 NAND 的價格與 NAND 本身的價格不相上下，難怪嵌入式主板將常駐托管 NAND 作為嵌入式多媒體存儲卡 （ eMMC ） 而不是閃存和控制器。

盡管它代表了在馴服 NAND 特性方面的巨大飛躍，但 eMMC 并不是一項完美的技術(shù)。在對 eMMC 4.3 部件運行一系列性能基準測試后，Datalight 的工程團隊發(fā)現(xiàn)某些部件的性能表現(xiàn)不佳，尤其是隨機讀取。對于一個特定的 eMMC 部件，在大于 16 MB 的文件上執(zhí)行的隨機 I/O 會減慢到 200 字節(jié)/秒的傳輸速率——比順序 I/O 常見的數(shù)兆字節(jié)速率要低很多。

歸根結(jié)底，最適合您的系統(tǒng)設(shè)計的閃存歸結(jié)為對其用例最重要的部分。沒有一個閃存部件能以最低的價格提供高質(zhì)量、大存儲容量、非凡的耐用性和“殺手級”性能?？倳袡?quán)衡，應(yīng)為特定應(yīng)用選擇正確的內(nèi)存部分。

界面

常駐閃存在閃存、數(shù)據(jù)和地址總線之間具有直接接口。為了避免系統(tǒng)設(shè)計人員和閃存供應(yīng)商之間出現(xiàn)混亂，通用閃存接口 （CFI） 定義了一個開放接口標準，該標準得到大多數(shù)供應(yīng)商的支持，并得到聯(lián)合電子設(shè)備工程委員會 （JEDEC） 的非易失性存儲器小組委員會的認可。因此，可移動閃存符合物理、電氣和命令接口標準。這有效地允許各種不同的存儲器供應(yīng)商選擇相似的部件。

這些標準已遷移到小型嵌入式系統(tǒng)。例如，第一個 EIDE/ATA 連接替代了最大吞吐量為 133 Mbytes/s 的串行 AT 附件 （SATA） 接口標準。另一個流行的接口是小型計算機系統(tǒng)接口 （SCSI），由于使用 16 條并行線路，速度高達 40 Mbytes/s，它可以在比 EIDE 更短的時間內(nèi)移動更多數(shù)據(jù)。為了獲得更快的結(jié)果，Ultra-640 SCSI 可以以 640 Mbytes/s 的速度傳輸數(shù)據(jù)。

令人驚訝的是，對于小型嵌入式板數(shù)據(jù)表，您可能不得不四處尋找，以確定持久性存儲是否駐留在板上。例如，Raspberry Pi 3 具有可用于可移動媒體的 microSD 和 USB 端口。

軟件數(shù)據(jù)存儲棧

對于非易失性持久閃存，需要系統(tǒng)軟件來驅(qū)動其運行。該系統(tǒng)軟件提供了軟件服務(wù)的邏輯分離，使應(yīng)用程序能夠?qū)⑽募到y(tǒng)請求作為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)元素發(fā)出，這些數(shù)據(jù)元素又被轉(zhuǎn)換為塊請求，讓人想起傳統(tǒng)的基于塊的硬盤驅(qū)動器中存在的內(nèi)容。圖 4 將這種軟件數(shù)據(jù)存儲堆棧關(guān)系顯示為互連軟件組件的層次結(jié)構(gòu)。

4.軟件數(shù)據(jù)存儲棧。

將軟件數(shù)據(jù)存儲堆棧表示為組件的層次結(jié)構(gòu)，可以讓文件系統(tǒng)和塊驅(qū)動程序取代有時作為嵌入式操作系統(tǒng)的一部分提供的那些。Datalight 的 Reliance Nitro 嵌入式文件系統(tǒng)實際上是一組相關(guān)的軟件模塊，每個軟件模塊都有定義明確的軟件接口（稱為應(yīng)用程序編程接口或 API），用于服務(wù)來自應(yīng)用程序的請求，即使斷電也能確保可靠性。Reliance Nitro 的可配置事務(wù)模型在數(shù)據(jù)實際寫入閃存時提供了微調(diào)的靈活性。

Reliance Nitro 是一種電源故障安全文件系統(tǒng)，可插入各種工業(yè)嵌入式實時操作系統(tǒng)，如 VxWorks、Linux、Android 和 Windows Embedded。對于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，可以使用內(nèi)存占用少的物聯(lián)網(wǎng)文件系統(tǒng) Reliance Edge，該系統(tǒng)可與 FreeRTOS 和 MQX 等小型嵌入式操作系統(tǒng)配合使用。

塊設(shè)備驅(qū)動程序從文件系統(tǒng)獲取塊請求，并作為閃存轉(zhuǎn)換層 （FTL） 工作。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)上使用的閃存和接口，F(xiàn)TL 執(zhí)行最初由文件系統(tǒng)執(zhí)行的請求。例如，Datalight 的 FlashFX Tera 與 NAND 或 NOR 內(nèi)存一起工作，并向系統(tǒng)的閃存控制器發(fā)出命令。

閃存驅(qū)動程序不僅負責為基本的閃存操作（讀、寫和擦除）提供支持，還負責優(yōu)化內(nèi)存的性能。由于閃存的壽命有限，連續(xù)重寫同一塊會導致部件過早磨損。為了防止這種情況，發(fā)明了磨損均衡算法，將磨損均勻地分布在閃存中。事實上，設(shè)計不佳的文件系統(tǒng)和塊驅(qū)動程序軟件可以從根本上破壞良好的閃存。例如，標準 FAT 文件系統(tǒng)不斷地在媒體的開頭寫入和重寫文件分配表 （FAT）。如果沒有不斷地重新定位塊，訪問這些塊可能會很快耗盡閃存。

由于單個塊確實會隨著時間的推移而磨損，因此壞塊管理 （BBM） 軟件是塊驅(qū)動程序的另一個重要部分。BBM 驗證寫入數(shù)據(jù)，當檢測到寫入失敗時，將壞塊重新映射到專門為壞塊分配保留的備用塊。

您會認為使用托管 NAND 設(shè)備，您將不需要閃存塊驅(qū)動程序。Datalight 的 FlashFXe 適用于托管 NAND 設(shè)備。因為隨機磁盤 I/O 很重要，特別是對于 Android 嵌入式系統(tǒng)，F(xiàn)lashFXe 以將實際隨機讀取和寫入調(diào)度為順序 I/O 塊的方式線性化隨機 I/O 請求。因此，隨機 I/O 性能可以顯著提高。通過減少正在執(zhí)行的寫入次數(shù)，可以提高某些用例的閃存耐用性。

數(shù)據(jù)生命周期

總而言之，重要信息基于系統(tǒng)狀態(tài)駐留在內(nèi)存中。首先是啟動時啟動。從非易失性閃存中，將包含整個系統(tǒng)（RTOS、驅(qū)動程序、應(yīng)用程序等）的靜態(tài)副本的引導映像加載到 RAM 中。易失性存儲器被刷新，閃存中的非易失性數(shù)據(jù)再次可用。

接下來是正常操作。系統(tǒng)運行后，必須執(zhí)行日常任務(wù)。對于基于傳感器的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，應(yīng)用程序使用本地閃存執(zhí)行工作并依賴文件系統(tǒng)中的持久數(shù)據(jù)存儲（和檢索）。這通常包括打開文件、讀取和寫入數(shù)據(jù)以及可選地執(zhí)行文件夾和其他文件系統(tǒng)操作。

但是存儲在設(shè)備上的數(shù)據(jù)很可能最終會在企業(yè)的其他地方——私人的或公共的。趨勢是在嵌入式設(shè)備上本地執(zhí)行和保存更多的數(shù)據(jù)收集、處理和分析。平臺正在不斷發(fā)展，以滿足為這些連接設(shè)備提供安全、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)分析、軟件更新和連接服務(wù)的需求。

最后一步是關(guān)機和系統(tǒng)恢復：當系統(tǒng)需要關(guān)機時，有序關(guān)機很重要。如果有電源完成對閃存的所有剩余 I/O 請求，則文件系統(tǒng)應(yīng)有序關(guān)閉，并將數(shù)據(jù)信息正確保存到介質(zhì)中。

對軟件數(shù)據(jù)系統(tǒng)堆棧健壯性的真正測試是在意外斷電的情況下重建文件結(jié)構(gòu)所需的時間，這使得有序關(guān)閉變得不可能?；谌罩镜奈募到y(tǒng)，如 ext4，可能需要一些時間來重播日志以重建文件系統(tǒng)。

審核編輯：郭婷