Flash 存儲(chǔ)問題總是在我們技術(shù)支持渠道位列榜首。Toradex 投入了大量資源保證存儲(chǔ)盡可能的穩(wěn)定。然而，了解一些關(guān)于存儲(chǔ)的基本知識(shí)還是十分重要的。首先你需要知道存儲(chǔ)是否磨損，當(dāng)往內(nèi)置的存儲(chǔ)設(shè)備上寫入大量數(shù)據(jù)后，你就很容易損壞它。通過這篇博文，我們想要告訴你 Flash 存儲(chǔ)可能會(huì)遇到的一些問題。我們先簡(jiǎn)單介紹技術(shù)內(nèi)容。
Flash 類型：Raw Flash vs Managed Flash
目前，Toradex 計(jì)算機(jī)模塊采用 NOR、NAND 和 eMMC Flash。
NOR 和 NAND 是 raw 存儲(chǔ)設(shè)備。NAND 和 NOR 之間的主要差別是 NOR 允許隨機(jī)尋址，不需要糾錯(cuò)以及較高的每比特成本。NAND 則只能頁讀取，每頁中的一些位可能出錯(cuò)，因此需要糾錯(cuò)機(jī)制。
eMMC Flash 則結(jié)合使用 NAND 和一個(gè)內(nèi)置控制器，后者處理大部分使用 NAND flash 時(shí)候，本來需要你自己完成的一些列任務(wù)。eMMC 也稱為 managed NAND。在另一方面，NAND 和 NOR 需要有 OS 和驅(qū)動(dòng)來完成對(duì)應(yīng)的處理。我們稍后會(huì)在本博文中討論這兩種不同的挑戰(zhàn)。
下面是我們的計(jì)算機(jī)模塊所使用的 Flash 類型概覽；
Storage Type
| Toradex Computer Module
|
| NOR | Colibri PXA270 |
| NAND | Colibri PXA310, PXA320, VF50, VF61, iMX7, T20 |
| EMMC | Colibri iMX6 and T30, Apalis iMX6 and T30 |
NAND Flash 演變：從 SLC 到 MLC
NAND 上面的 bit 密度隨著時(shí)間在不停增長(zhǎng)。最早的 NAND 設(shè)備是 Single Level Cell (SLC) flash。這意味著每個(gè)閃存單元存儲(chǔ)一個(gè)bit位信息。借助 Multi Level Cell (MLC)，每個(gè)閃存單元可以存儲(chǔ)兩個(gè)或者多個(gè)bit位，bit 密度也隨之提升。MLC 聽起來很不錯(cuò)，但是也有缺點(diǎn)：MLC NAND 也帶來更高的bit 錯(cuò)誤率以及更低的壽命。所有的 eMMC 都使用 MLC NAND。有些 eMMC 設(shè)備可以在部分或者全部存儲(chǔ)區(qū)域上使用 pseudo-SLC (PSLC)。這將會(huì)減少存儲(chǔ)容量，但是提高設(shè)備上使用壽命。
這是 SLC 和 MLC 的簡(jiǎn)單對(duì)比。
| SLC | MLC |
| Bits per Cell | 1 | 2 and more (TLC) |
| Erase/Program cycles | 100K | 3K to 15K |
Minimal ECC, bits correctable
per 512 Bytes, chip dependent | 8 bit | 12 bit |
| Cost per Byte | Higher | Lower |
使用壽命：有限的擦寫次數(shù)
正如上面提到的，關(guān)于我們?cè)O(shè)備上使用的 flash 技術(shù)，您需要知道很重要的一點(diǎn)是，您只能有限次地擦寫存儲(chǔ)設(shè)備。往 flash 存儲(chǔ)上寫入大量的數(shù)據(jù)，并不是一個(gè)好的主意。上面的表格所示，根據(jù)所使用的 flash 類型不同，直到數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)損壞或者丟失前，您可以進(jìn)行 10K 到 100K 次寫操作。“擦寫周期” 這一個(gè)令人煩惱的事情。Flash 存儲(chǔ)的一個(gè)限制是，在被擦除之前是無法進(jìn)行寫操作的。而且，不能通過位擦差來完成，而是需要更大的單位，稱為塊。最糟糕的情況是，如果你只想改變一個(gè)字節(jié)，但是可能需要擦除整個(gè)塊。一個(gè)塊最大可以使 512KB。這種比你想象的要大的多的擦/寫比現(xiàn)象稱為寫放大。并且可能還有 flash 文件系統(tǒng)所需的額外寫操作。如果你想要評(píng)估你嵌入式設(shè)備上的存儲(chǔ)的壽命，你應(yīng)該把這個(gè)也考慮進(jìn)來。
提高 flash 壽命
下面的內(nèi)容向你介紹如何提高 NAND 或者 eMMC 的壽命。不要擔(dān)心，這些工作都已經(jīng)由 Toradex 完成，你不需采取任何工作。
防止磨損：磨損平衡
我們假設(shè)你已經(jīng)了解 flash 只能被有限次地擦寫，并且你只是偶爾小批量地更新數(shù)據(jù)。如果這些數(shù)據(jù)總是寫在同一個(gè) flash 單元，那么你只能在 MLC flash 上寫 15K 次。如果永遠(yuǎn)不使用其他 flash 單元，你的數(shù)據(jù)將會(huì)丟失，一直在寫的存儲(chǔ)單元磨損后，flash 也就隨著報(bào)廢。智能的 flash 驅(qū)動(dòng)會(huì)采用磨損平衡。這個(gè)技術(shù)確保所有的 flash 單元被平均磨損，而不是總是使用同一個(gè)單元。
檢測(cè)和糾正錯(cuò)誤：糾錯(cuò)碼
在 NAND flash 設(shè)備有可能發(fā)生一個(gè)位的數(shù)據(jù)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，你的數(shù)據(jù)因此損壞。磨損或者其他干擾都有可能引起這個(gè)現(xiàn)象。因此，數(shù)據(jù)需要被糾錯(cuò)碼（ECC）保護(hù)。根據(jù) Flash 控制器和 NAND / eMMC 的不同，部分錯(cuò)誤數(shù)據(jù)可以被檢測(cè)和糾正。
壞塊處理
ECC 使我們能夠發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤的塊，我們就可以停止使用這些壞塊。根據(jù) ECC 以及糾正的位數(shù)，可以設(shè)定容錯(cuò)上限，這個(gè)范圍之內(nèi)不需要采取進(jìn)一步行動(dòng)。一旦達(dá)到這個(gè)上限，數(shù)據(jù)被糾正，并轉(zhuǎn)移到正常的塊上面。 之前的位置表記為壞塊。這些壞塊不再被使用，因?yàn)樗鼈兛赡芤呀?jīng)損壞。
掉電保護(hù)
當(dāng)你的設(shè)備在往 flash 寫數(shù)據(jù)的時(shí)候突然掉電，這將會(huì)發(fā)生什么？在嵌入式設(shè)備上，你希望設(shè)備仍舊可以正常啟動(dòng)，并且數(shù)據(jù)不受到損壞。為了達(dá)到這個(gè)目的，所有相關(guān)的軟件和硬件都需要有能力應(yīng)對(duì)這種情況。你將會(huì)在下面的內(nèi)容中了解我們是如何做到的。
Toradex 系統(tǒng)模塊實(shí)施方法
正如上面提到的，關(guān)鍵是根據(jù)存儲(chǔ)的類型采用正確配置。我們會(huì)分析目前 Toradex BSP 上所使用的技術(shù)。
NAND 設(shè)備
下圖展示了在 NAND 設(shè)備上行 WinCE 和 Linux 的配置
存儲(chǔ)設(shè)備：我們的設(shè)備只要使用 NAND，那么都用的是 SLC NAND。
硬件驅(qū)動(dòng)：硬件驅(qū)動(dòng)為 NAND 設(shè)備和上層系統(tǒng)提供接口。上層系統(tǒng)也負(fù)責(zé)錯(cuò)誤檢測(cè)和糾正。在 Linux 上我們目前的鏡像使用 MTD。WinCE 上我們使用 Microsoft Flash PDD 層。也有例外，如 Colibri T20，我們使用了專門的 PDD 層。
Flash 傳輸層：該層負(fù)責(zé)寫平衡和壞塊管理。在 Linux 中由 UBI 子系統(tǒng)完成；而 WinCE 則由 MDD 層完成。同樣在 Colibri T20 上我們使用了專門的層，而不是 Microsoft Flash MDD。
文件系統(tǒng)：文件系統(tǒng)是實(shí)際管理分區(qū)以及所存文件的部分。用戶通過文件 API 來是用文件系統(tǒng)（Linux 中通過 VFS 層）。在Linux 上，目前我們使用 UBI FS。WinCE 使用 Transaction Save exFAT (TexFAT) 。兩者都可以應(yīng)對(duì)掉電。基本的文件層通過支持原子操作來應(yīng)對(duì)掉電發(fā)生。
eMMC 設(shè)備
下圖展示了在 eMMC 設(shè)備上行 WinCE 和 Linux 的配置
存儲(chǔ)設(shè)備：相對(duì)于 raw NAND，絕大多數(shù)的工作由 eMMC 本身完成。上層軟件不需要處理寫平衡、糾錯(cuò)和壞塊管理。
硬件驅(qū)動(dòng)：這是 MMC 控制器和文件系統(tǒng)之間的接口.
文件系統(tǒng)：和 NAND 設(shè)備一樣，WinCE 上仍舊使用 TexFAT；我們的 Linux 鏡像使用 ext3 文件系統(tǒng)。同樣也是能夠應(yīng)對(duì)掉電情況。
結(jié)論和建議
Toradex 盡自己最大的努力提供可靠和持久的 flash 存儲(chǔ)。然而，在開發(fā)的過程中，你還是需要始終關(guān)注 flash 的使用。
