當(dāng)今嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜性和伴隨的內(nèi)存子系統(tǒng)有時(shí)可能會(huì)給新手工程師帶來(lái)學(xué)習(xí)曲線。內(nèi)存包括作為臨時(shí)（易失性）或持久性（非易失性）存儲(chǔ)“容器”運(yùn)行的硬件組件。這些帶電電路的神奇金塊存儲(chǔ)信息狀態(tài)并用于指令（二進(jìn)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(huì)指示處理器 （CPU） 沿地址線發(fā)送電流脈沖，以識(shí)別芯片中存儲(chǔ)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(dāng)電脈沖到達(dá)地址線時(shí)，脈沖流過一個(gè)閉合的晶體管并為存儲(chǔ)相當(dāng)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(chǔ)信息位數(shù)組（部分顯示）。

易失性存儲(chǔ)器用作隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）。其內(nèi)容僅在通電時(shí)保持不變。為了補(bǔ)充 RAM 的使用，在早期的嵌入式系統(tǒng)中，通常使用只讀存儲(chǔ)器 （ROM） 來(lái)運(yùn)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(chǔ)器保留數(shù)據(jù)。對(duì)于傳統(tǒng)的 PC、Mac 和服務(wù)器，持久內(nèi)存存儲(chǔ)已用于存儲(chǔ)更大的可尋址字節(jié)容器——通?；诘讓臃纸M（稱為扇區(qū)）進(jìn)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(chǔ)系統(tǒng)的優(yōu)先事項(xiàng)。對(duì)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(chǔ)介質(zhì)要么是可移動(dòng)的（SD 或 CF 卡，或 USB 閃存驅(qū)動(dòng)器），要么是不可移動(dòng)的，無(wú)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(chǔ)器基礎(chǔ)知識(shí)

易失性內(nèi)存可用于讀取 CPU 執(zhí)行的指令，從而導(dǎo)致執(zhí)行某些操作時(shí)有時(shí)會(huì)將數(shù)據(jù)寫回內(nèi)存。當(dāng)今強(qiáng)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(jì)算的日子已經(jīng)一去不復(fù)返了。

RAM 被組織在一個(gè)或多個(gè)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(wú)人機(jī)、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(chǔ)器基礎(chǔ)知識(shí)

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

閃存是一種非易失性存儲(chǔ)器，經(jīng)過電氣編程以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期存儲(chǔ)。最初的電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器 （EEPROM） 設(shè)備由列和行的網(wǎng)格組成，每個(gè)交叉點(diǎn)都有晶體管。一層薄薄的氧化物將每個(gè)晶體管與其他晶體管隔開。如果一個(gè)晶體管（浮動(dòng)?xùn)艠O）與另一個(gè)（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(gè)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(shí)，單元應(yīng)保持其最后設(shè)置（如已編程或已擦除）。

認(rèn)為閃存僅適用于相機(jī)和智能手機(jī)等消費(fèi)類移動(dòng)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(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)端口的可移動(dòng)設(shè)備）。閃存的美妙之處在于沒有可能對(duì)可靠性產(chǎn)生負(fù)面影響的移動(dòng)部件，但與任何技術(shù)一樣，也有優(yōu)缺點(diǎn)，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(chǔ)器。它有一套完整的地址線，允許讀取單個(gè)字節(jié)。事實(shí)上，讀取速度通常與 DRAM 一樣快，允許程序直接從 NOR 內(nèi)存運(yùn)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(dòng)緊湊型閃存 （CF） 卡，是存儲(chǔ)操作系統(tǒng)映像、系統(tǒng)引導(dǎo)加載程序和系統(tǒng)配置信息的不錯(cuò)選擇。

與 NOR 相比，NAND 的開發(fā)旨在實(shí)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(gè)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(dòng)器。NAND 已成為可移動(dòng)和常駐介質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)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(yè)面之間的區(qū)別。每個(gè)塊由多個(gè)頁(yè)面組成，其中頁(yè)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?yàn)槿绻涗洿笮∈情W存介質(zhì)上使用的底層塊大小的偶數(shù)部分，您通常會(huì)獲得最佳結(jié)果。對(duì)于所有 NAND，數(shù)據(jù)以頁(yè)的形式寫入，但頁(yè)必須已經(jīng)被擦除（全為 1），并且只能擦除塊。

2. 頁(yè)面和塊。

如果我們不提及存儲(chǔ)單元是如何組織存儲(chǔ)信息位的，那么關(guān)于 NAND 的討論就不會(huì)完整。單級(jí)單元 （SLC） 每個(gè)單元存儲(chǔ)一位信息。隨著存儲(chǔ)容量的增加，已開發(fā)出多級(jí)單元 （MLC） 和三級(jí)單元 （TLC） 以在每個(gè)單元中存儲(chǔ)多個(gè)位。但是這種增加的容量有一些缺點(diǎn)。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(fù)雜性也會(huì)產(chǎn)生更多的位錯(cuò)誤，需要更復(fù)雜的糾錯(cuò)碼 （ECC） 來(lái)防止常見的數(shù)據(jù)錯(cuò)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(cuò)誤率，需要更大的 ECC 以及更低的耐用性。當(dāng)塊被寫入最少次數(shù)時(shí)，耐久性更好。

典型的 NAND 需要一個(gè)控制器來(lái)處理主機(jī)和閃存之間的命令和數(shù)據(jù)移動(dòng)。控制器提供了執(zhí)行塊讀取、寫入和擦除等基本操作的機(jī)制。許多設(shè)計(jì)包括一個(gè)僅提供這些功能的分立控制器，而將其他閃存管理活動(dòng)（例如更換壞塊并確保均勻磨損）留給驅(qū)動(dòng)程序軟件。一些芯片設(shè)計(jì)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(lái)提高效率。這些復(fù)雜的控制器以較高的芯片成本為代價(jià)，卸載了一些計(jì)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(yùn)行，具有更簡(jiǎn)單的主機(jī)文件系統(tǒng)接口。由于托管 NAND 的價(jià)格與 NAND 本身的價(jià)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(chǔ)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(xiàng)完美的技術(shù)。在對(duì) eMMC 4.3 部件運(yùn)行一系列性能基準(zhǔn)測(cè)試后，Datalight 的工程團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)某些部件的性能表現(xiàn)不佳，尤其是隨機(jī)讀取。對(duì)于一個(gè)特定的 eMMC 部件，在大于 16 MB 的文件上執(zhí)行的隨機(jī) I/O 會(huì)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(jì)的閃存歸結(jié)為對(duì)其用例最重要的部分。沒有一個(gè)閃存部件能以最低的價(jià)格提供高質(zhì)量、大存儲(chǔ)容量、非凡的耐用性和“殺手級(jí)”性能?？倳?huì)有權(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(jì)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(gè)開放接口標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)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(huì) （JEDEC） 的非易失性存儲(chǔ)器小組委員會(huì)的認(rèn)可。因此，可移動(dòng)閃存符合物理、電氣和命令接口標(biāo)準(zhǔn)。這有效地允許各種不同的存儲(chǔ)器供應(yīng)商選擇相似的部件。

這些標(biāo)準(zhǔn)已遷移到小型嵌入式系統(tǒng)。例如，第一個(gè) 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(biāo)準(zhǔn)。另一個(gè)流行的接口是小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口 （SCSI），由于使用 16 條并行線路，速度高達(dá) 40 Mbytes/s，它可以在比 EIDE 更短的時(shí)間內(nèi)移動(dòng)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(duì)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(chǔ)是否駐留在板上。例如，Raspberry Pi 3 具有可用于可移動(dòng)媒體的 microSD 和 USB 端口。

軟件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)棧

對(duì)于非易失性持久閃存，需要系統(tǒng)軟件來(lái)驅(qū)動(dòng)其運(yùn)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(qǐng)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(qǐng)求，讓人想起傳統(tǒng)的基于塊的硬盤驅(qū)動(dòng)器中存在的內(nèi)容。圖 4 將這種軟件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(chǔ)棧。

將軟件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(dòng)程序取代有時(shí)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(shí)際上是一組相關(guān)的軟件模塊，每個(gè)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(lái)自應(yīng)用程序的請(qǐng)求，即使斷電也能確?？煽啃浴eliance Nitro 的可配置事務(wù)模型在數(shù)據(jù)實(shí)際寫入閃存時(shí)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，如 VxWorks、Linux、Android 和 Windows Embedded。對(duì)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(dòng)程序從文件系統(tǒng)獲取塊請(qǐng)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(qǐng)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(dòng)程序不僅負(fù)責(zé)為基本的閃存操作（讀、寫和擦除）提供支持，還負(fù)責(zé)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(huì)導(dǎo)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(shí)上，設(shè)計(jì)不佳的文件系統(tǒng)和塊驅(qū)動(dòng)程序軟件可以從根本上破壞良好的閃存。例如，標(biāo)準(zhǔn) 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(huì)很快耗盡閃存。

由于單個(gè)塊確實(shí)會(huì)隨著時(shí)間的推移而磨損，因此壞塊管理 （BBM） 軟件是塊驅(qū)動(dòng)程序的另一個(gè)重要部分。BBM 驗(yàn)證寫入數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測(cè)到寫入失敗時(shí)，將壞塊重新映射到專門為壞塊分配保留的備用塊。

您會(huì)認(rèn)為使用托管 NAND 設(shè)備，您將不需要閃存塊驅(qū)動(dòng)程序。Datalight 的 FlashFXe 適用于托管 NAND 設(shè)備。因?yàn)殡S機(jī)磁盤 I/O 很重要，特別是對(duì)于 Android 嵌入式系統(tǒng)，F(xiàn)lashFXe 以將實(shí)際隨機(jī)讀取和寫入調(diào)度為順序 I/O 塊的方式線性化隨機(jī) I/O 請(qǐng)求。因此，隨機(jī) 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(dòng)時(shí)啟動(dòng)。從非易失性閃存中，將包含整個(gè)系統(tǒng)（RTOS、驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序等）的靜態(tài)副本的引導(dǎo)映像加載到 RAM 中。易失性存儲(chǔ)器被刷新，閃存中的非易失性數(shù)據(jù)再次可用。

接下來(lái)是正常操作。系統(tǒng)運(yùn)行后，必須執(zhí)行日常任務(wù)。對(duì)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(chǔ)（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(chǔ)在設(shè)備上的數(shù)據(jù)很可能最終會(huì)在企業(yè)的其他地方——私人的或公共的。趨勢(shì)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(tái)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(jī)和系統(tǒng)恢復(fù)：當(dāng)系統(tǒng)需要關(guān)機(jī)時(shí)，有序關(guān)機(jī)很重要。如果有電源完成對(duì)閃存的所有剩余 I/O 請(qǐng)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(duì)軟件數(shù)據(jù)系統(tǒng)堆棧健壯性的真正測(cè)試是在意外斷電的情況下重建文件結(jié)構(gòu)所需的時(shí)間，這使得有序關(guān)閉變得不可能。基于日志的文件系統(tǒng)，如 ext4，可能需要一些時(shí)間來(lái)重播日志以重建文件系統(tǒng)。

審核編輯：郭婷