閃存幾乎無處不在，特別是在移動(dòng)設(shè)備中。閃存具有各種外形尺寸，隨著成本的不斷降低以及容量和工作壽命的不斷增加，閃存不斷地推動(dòng)著越來越多的平臺(tái)中硬盤驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展。

NAND和NOR閃存主導(dǎo)著固態(tài)非易失性存儲(chǔ)器(NVM)市場，但是這些閃存并不是唯一可用的技術(shù)。不會(huì)明確地暴露閃存的外形尺寸是使用非閃存技術(shù)來替代的可能目標(biāo)。比如，非閃存產(chǎn)品正在串行存儲(chǔ)領(lǐng)域中暫露頭角。

圖1：閃存具有各種外形尺寸，包括SecureDigital(a)、MicroSD(b)、Sony記憶棒(c)、緊湊型閃存(d)和mSATA(e)。它們一般都采用NAND閃存

非易失性固態(tài)存儲(chǔ)器

一方面是一次性可編程(OTP)存儲(chǔ)器。現(xiàn)在，OTP存儲(chǔ)器一般用來保存安全密鑰或網(wǎng)絡(luò)ID。它是采用諸如熔絲、反熔絲和浮柵等各種技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。這種存儲(chǔ)器還可以采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

帶動(dòng)NVM規(guī)模的是各種多次可編程(MTP)存儲(chǔ)器技術(shù)，這類技術(shù)可以寫入上百次甚至上千次。MTP存儲(chǔ)器一般用來實(shí)現(xiàn)很少更改的啟動(dòng)代碼。與OTP一樣，MTP一般是采用CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，這樣就可以用在數(shù)字邏輯中。

浮柵EEPROM已經(jīng)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中得到普遍的應(yīng)用。由于具有寫入單字節(jié)的能力、良好的耐力和數(shù)據(jù)保持能力，浮柵EEPROM已經(jīng)相當(dāng)流行，但是閃存技術(shù)在密度上遠(yuǎn)勝于浮柵EEPROM。EEPROM仿真常常被視為某些閃存實(shí)現(xiàn)方案的一種功能，它可以隱藏閃存的塊擦除要求，以便能夠?qū)懭雴蝹€(gè)字節(jié)。

其他的非易失性技術(shù)正在不斷地提升閃存的優(yōu)勢(shì)，包括磁阻RAM(MRAM)、鐵電RAM (FRAM)、相變存儲(chǔ)器(PCM)以及前途無量的NVM技術(shù)。與NAND和NOR閃存等其他NVM技術(shù)相比，這些技術(shù)都具有更高的總體性能，包括寫入速度、電壓要求、缺少頁面擦除周期、長期耐用性、數(shù)據(jù)保持能力和可擴(kuò)展性。

這些技術(shù)開始是針對(duì)利基市場，在這種市場中，成本高一點(diǎn)并沒有什么問題(至少在初期階段是這樣)，其優(yōu)勢(shì)相當(dāng)明顯。它們甚至?xí)l(fā)SRAM與DRAM之間的激烈競爭。

德州儀器(TI)公司的16位MSP430FR57xx系列以其高達(dá)16 kB的用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和程序存儲(chǔ)的FRAM而著稱。該系列存儲(chǔ)器具有代表性地融合了SRAM、閃存和EEPROM存儲(chǔ)器。單個(gè)方案就可以降低庫存單位(SKU)數(shù)，并簡化開發(fā)人員的工作，使他們不再需要應(yīng)付程序存儲(chǔ)的RAM要求。

今后，這些可供選擇的NVM技術(shù)將在更多的設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用。不過現(xiàn)在，閃存仍是主導(dǎo)的NVM技術(shù)。

閃存技術(shù)

閃存實(shí)現(xiàn)方案可以分成NAND和NOR方案，不同的供應(yīng)商提供的方案各有不同。他們一般采用浮柵晶體管。這兩種技術(shù)都表明了晶體管是如何連接和使用的，而不是將晶體管作為數(shù)字邏輯的一部分與FPGA或定制邏輯整合在一起。

NOR閃存晶體管接地和位線，這樣就可以訪問單個(gè)位。與NAND閃存相比，它具有更好的耐寫性能。NOR閃存一般用在有代碼和數(shù)據(jù)的應(yīng)用中。帶片上閃存的微控制器一般都會(huì)整合NOR閃存。

NAND閃存晶體管一般是成組連接至字線。這就可以實(shí)現(xiàn)比NOR閃存更高的密度。NAND閃存一般用于面向塊的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。從晶體管的角度來看，NAND閃存不如NOR閃存可靠，因此NAND存儲(chǔ)平臺(tái)就需要使用錯(cuò)誤檢測(cè)和校正硬件或軟件。NAND閃存一般用于高容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

閃存使用擦寫周期。擦除本質(zhì)上是將閃存設(shè)置為1。寫入則是將位設(shè)置為0，只要現(xiàn)有的1被改為0，就可以寫入不同的數(shù)據(jù)。由于允許在沒有長時(shí)間的耗電擦除周期的情況下執(zhí)行操作，因此閃存文件系統(tǒng)可以充分利用這種特性。NAND閃存一般工作在塊級(jí)別，而NOR可訪問更加精細(xì)的級(jí)別。

閃存從單級(jí)單元(SLC)數(shù)據(jù)編碼開始，每個(gè)存儲(chǔ)晶體管對(duì)1或0進(jìn)行編碼。多級(jí)單元(MLC)閃存一般是指每單元存儲(chǔ)2位(而不是1位)信息的能力。在晶體管級(jí)，所有的信息都是模擬的，不過與構(gòu)建MLC閃存所需要的四級(jí)檢測(cè)電路相比，構(gòu)建一個(gè)兩級(jí)檢測(cè)電路更加簡單。

同樣，對(duì)MLC單元進(jìn)行編程需要有產(chǎn)生四個(gè)不同級(jí)的能力。三級(jí)單元(TLC)閃存則更進(jìn)了一步，這種閃存將3位或八級(jí)裝入單個(gè)存儲(chǔ)單元中，比如美光(Micron)公司的3位34nm NAND閃存芯片。

MLC或TLC存儲(chǔ)器的明顯優(yōu)勢(shì)是密度更高。其通常會(huì)在性能上作出折衷，尤其是耐寫性能方面。

典型的SLC NAND閃存的可寫次數(shù)為10萬次，而SLC NOR閃存的可寫次數(shù)為100萬次。MLC閃存的可寫次數(shù)則僅為上述次數(shù)的10分之一，TLC閃存的可寫次數(shù)則更少。隨著技術(shù)的進(jìn)步，這些可寫次數(shù)在不斷地增加。SLC具有更好的耐寫性能，而MLC和TLC的成本效益將更高。

閃存系統(tǒng)的使用壽命取決于多重因素，包括其托管方式。如果一個(gè)區(qū)域出現(xiàn)耗損時(shí)(即出現(xiàn)寫入失敗，無法保存正確的信息的情況時(shí))，非托管型閃存就會(huì)出現(xiàn)問題。錯(cuò)誤檢測(cè)系統(tǒng)有助于確定何時(shí)出現(xiàn)這種情況，不過一旦出現(xiàn)這種情況，設(shè)備一般也毫無用處了。更糟糕的是，其失效可能會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)多的問題。這也就是為什么帶有內(nèi)置閃存(無法跟蹤耗損情況)的微控制器等器件依賴于可寫次數(shù)較高的NOR閃存的原因。

有多種方法可以用來提高總系統(tǒng)壽命，比如耗損均衡。這種方法需要重新映射信息位置的能力。該方法對(duì)于面向塊的器件最有效，盡管它可以應(yīng)用到塊大小的單個(gè)字中。實(shí)現(xiàn)耗損均衡會(huì)引起開銷，因此塊尺寸較大的話，效率就會(huì)更高。

耗損均衡可將寫入操作分布在存儲(chǔ)設(shè)備中。系統(tǒng)的使用壽命可以視為系統(tǒng)的總寫入容量，而不是單個(gè)塊的最大值。耗損均衡需要跟蹤塊寫入使用情況以及記錄和利用該信息的能力。如果出現(xiàn)缺陷的話，塊的使用壽命往往會(huì)縮短至不到其建議的寫入壽命。

在這種情況下，如果存儲(chǔ)器被超額配置的話，則可以使用重新映射機(jī)制。額外的塊或扇區(qū)在硬盤驅(qū)動(dòng)器上很常見，對(duì)閃存可以采用同樣的方法。唯一的區(qū)別是，如果在規(guī)則的塊中檢測(cè)到不可校正的錯(cuò)誤，那么就會(huì)使用額外的塊。

使用耗損均衡之后，所有的塊往往就都是存儲(chǔ)池的一部分。如果系統(tǒng)是以軟件方式實(shí)現(xiàn)的，也可以根據(jù)系統(tǒng)所需的使用壽命來選擇邏輯設(shè)備尺寸。邏輯尺寸越小，出現(xiàn)的“額外”塊越多。

像FRAM、MRAM和PCM等其他一些技術(shù)不會(huì)出現(xiàn)與閃存一樣的耐寫能力問題。但是仍然可以使用諸如存儲(chǔ)器過度配置和重新映射等技術(shù)，特別是在硬件缺陷等其他錯(cuò)誤可能比較常見的大型設(shè)備中。

閃存軟件和控制器

對(duì)閃存的受控訪問使軟件可以忽略從擦除要求到耐寫能力等一系列支持閃存的問題。在哪里以及以何種方式實(shí)現(xiàn)這種控制差別很大。

閃存文件系統(tǒng)是開發(fā)人員處理原始閃存的一種方法。這些系統(tǒng)是可訪問閃存芯片接口的設(shè)備驅(qū)動(dòng)器。明顯地，相對(duì)于操作系統(tǒng)和應(yīng)用而言，驅(qū)動(dòng)器處理所有的閃存常規(guī)工作，如錯(cuò)誤檢測(cè)、耗損均衡和壞塊重新映射。它可以將部分閃存用于內(nèi)部表，并負(fù)責(zé)說明閃存擦除和寫入特性。

驅(qū)動(dòng)器可以提供一定的文件和目錄管理功能，或者只代表一個(gè)低級(jí)邏輯塊器件。這兩種方法有各自的優(yōu)勢(shì)，需根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境來選擇。

采用硬件方案時(shí)，一般會(huì)提供塊級(jí)接口。由于軟件方案一般無法提供硬件加速，因此硬件方案還可以整合更具魯棒性的糾錯(cuò)和映射系統(tǒng)。早期階段出現(xiàn)過眾多閃存控制器公司，不過現(xiàn)在它們都已經(jīng)被致力于提供集成度更高的方案的閃存公司收購了。

將閃存放在硬件控制器后面可以起很大的作用。比如，它可以簡化設(shè)備接口、提供諸如降低功耗(包括各種休眠模式)等更加先進(jìn)的功能，并實(shí)現(xiàn)混合存儲(chǔ)系統(tǒng)。

混合系統(tǒng)可在同一封裝中整合不同類型的存儲(chǔ)器。這種方法可以通過在混合系統(tǒng)中增加RAM，從而使NAND閃存等塊設(shè)備能夠在比特級(jí)或文字級(jí)進(jìn)行訪問。三星(Samsung)的OneNAND將SRAM與其NAND閃存控制器整合在一起。該方案可使系統(tǒng)用作程序存儲(chǔ)器，并根據(jù)需要在SRAM中對(duì)塊設(shè)備進(jìn)行緩存。

此外，RAM的速度也比閃存快，特別是寫入速度方面。它也不受閃存耐寫能力限制的影響。并且RAM不受塊訪問的限制。作為一般緩存系統(tǒng)使用時(shí)，混合系統(tǒng)兼具閃存和RAM的諸多優(yōu)勢(shì)。由于在這類設(shè)計(jì)中閃存往往比RAM更多，因此必要時(shí)數(shù)據(jù)需從RAM中轉(zhuǎn)入閃存中。

希捷公司(Seagate)推出的Momentus XT硬盤驅(qū)動(dòng)器表明，混合系統(tǒng)可以變得更加復(fù)雜。該存儲(chǔ)系統(tǒng)整合了三種存儲(chǔ)器：DRAM、SLC閃存和旋轉(zhuǎn)磁性存儲(chǔ)器。它具有SATA接口，因此除了閃存和硬盤驅(qū)動(dòng)器控制器之外，還有一個(gè)SATA控制器。這對(duì)于用戶來講完全是透明的。

在閃存中使用硬件控制器還可以讓設(shè)計(jì)人員在混合系統(tǒng)中增加安全和加密等其他功能。硬件加速也可以從這些功能中受益。

將閃存接口標(biāo)準(zhǔn)化一定會(huì)簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的工作。開放NAND閃存接口(ONFI)工作組一直在致力于這方面的工作，他們于2011年發(fā)布了OFNI 3.0規(guī)范。該規(guī)范旨在提供400Mtransfers/s的傳輸速度和雙數(shù)據(jù)速率(DDR)傳輸。其切換模式2.0可選地采用差分信令。此外，OFNI還規(guī)定了芯片級(jí)外形尺寸，不過閃存可采用的外形尺寸相當(dāng)多。

閃存的尺寸

小型串行閃存設(shè)備的外形尺寸差異相當(dāng)大。有支持一級(jí)(1Wire)協(xié)議的三引腳設(shè)備以及支持I2C和SPI的各種設(shè)備。四SPI(QSPI) NVM設(shè)備可將傳輸?shù)奈粩?shù)增加四分之一，甚至還有微控制器，這類設(shè)備可以直接從像恩智浦半導(dǎo)體(NXP)公司的LPC1800系列這樣的QSPI串行存儲(chǔ)器中執(zhí)行程序。

將程序保存在串行閃存中是相當(dāng)常見的。大多數(shù)PC都將其BIOS保存在串行閃存中。芯片引導(dǎo)裝載程序?qū)⒃摮绦驈?fù)制到執(zhí)行該程序的RAM中。NXP公司的LPC1800一次讀取存儲(chǔ)器中的一個(gè)指令。

串行存儲(chǔ)器是FRAM和MRAM等其他技術(shù)應(yīng)用的首個(gè)用武之地之一。串行存儲(chǔ)器一般包含溫度傳感器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)等其他子系統(tǒng)。有些RTC甚至利用串行存儲(chǔ)器保存時(shí)間戳信息。

具有JEDEC e-MMC(嵌入式多媒體卡)外形尺寸的芯片(比如San-Disk的iNAND)采用與可移動(dòng)七引腳MMC外形尺寸相同的串行接口。對(duì)于開發(fā)人員來講，其優(yōu)勢(shì)在于他們可以對(duì)固定存儲(chǔ)器和移動(dòng)存儲(chǔ)器使用同樣的接口。

該七引腳MMC設(shè)備可插入與九引腳SD和九引腳SDIO設(shè)備相同的插槽中，因此I/O設(shè)備可以置于該卡上。SD與MMC具有相同的引腳分布，其外沿附近增加了兩個(gè)額外的引腳。MMC接口本質(zhì)上是SPI接口，SD為QSPI接口。11引腳miniSD卡和八引腳microSD卡都采用相同類型的接口，只不過封裝更小。這些串行設(shè)備的傳輸速率為832Mbps。

移動(dòng)閃存也采用USB、SATA和SAS接口。SAS往往只用于驅(qū)動(dòng)器上，而SATA則用于具有磁盤驅(qū)動(dòng)器外形尺寸的閃存驅(qū)動(dòng)器以及像Viking Technology公司的SATA Cube 3這樣的嵌入式設(shè)備中。SATA Cube 3是一堆帶閃存和控制器的電路板。電路板越多，表明存儲(chǔ)容量越大。

板上SATA設(shè)備還包含mSATA和Slim SATA模塊等標(biāo)準(zhǔn)。相比與SD卡等介質(zhì)配合使用的SPI/QSPI 接口，SATA接口可以提供高相當(dāng)多的吞吐能力。大型SATA閃存一般用于1.8、2.5和3.5英寸的硬盤驅(qū)動(dòng)器外形尺寸中。

基于IDE的微型閃存仍是許多嵌入式母板上的常見功能部件。隨著微控制器從IDE和PCI轉(zhuǎn)換到SATA和PCI Express，這種情況正在發(fā)生變化。雖然攝像機(jī)往往采用SD卡，不過仍有許多移動(dòng)設(shè)備(比如數(shù)碼攝像機(jī))使用微型閃存。

USB閃存驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)有效地替代了CD、DVD和軟盤。與現(xiàn)在的平均容量相比，首款USB 1.x閃存驅(qū)動(dòng)器的存儲(chǔ)容量相當(dāng)小。如今的高端平臺(tái)的規(guī)模相當(dāng)大，并且采用USB 3.0總線標(biāo)準(zhǔn)。

容量和速度并不是隨著USB閃存驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展而變化的唯一指標(biāo)。增加的功能(特別是安全領(lǐng)域中)更為普遍。比如，Apricorn公司的Aegis安全密鑰帶一個(gè)內(nèi)置鍵盤，可用來輸入安全代碼，阻止按鍵記錄病毒捕獲代碼。它可以用在任何操作系統(tǒng)上。

大多數(shù)與安全相關(guān)的其他解決方案都采用在主機(jī)上運(yùn)行并使用主機(jī)輸入所有解碼密鑰的設(shè)備驅(qū)動(dòng)器或者應(yīng)用程序。Aegis安全密鑰具有管理員和用戶密碼。這些功能可用來對(duì)加密和解密保存在閃存中的數(shù)據(jù)的密鑰進(jìn)行解碼。

USB閃存驅(qū)動(dòng)器一般用于便攜設(shè)備中，不過它們也廣泛地用在嵌入式設(shè)備中。許多母板都有一個(gè)內(nèi)部A型連接器。大多數(shù)母板只有背板上有A型連接器。有些設(shè)備(像Eurotech公司的Helios Edge控制器)僅有用于閃存的USB接口和外設(shè)接口(請(qǐng)參見“Eurotech公司的Helios Edge控制器的實(shí)地操作評(píng)估”一文)。

USB頭在母板上也很常見。它們用于通過線纜和背板連接的額外外部USB接口，還可以用于USB存儲(chǔ)器中，比如Swissbit公司的USB存儲(chǔ)器(圖6)。Swissbit USB閃存模塊可插入大多數(shù)母板的標(biāo)準(zhǔn)九引腳USB頭中。母板上不一定總是使用安裝孔，但是當(dāng)板可以用螺栓固定到母板上時(shí)，安裝孔確實(shí)可以提供穩(wěn)固的解決方案。

像mSATA和Swissbit公司的USB閃存模塊這樣的模塊并不是基于板的唯一閃存方案。閃存還可用于雙列直插內(nèi)存模塊(DIMM)和小外形DIMM (SODIMM)外形尺寸，不過與DRAM一樣，僅使用閃存的解決方案沒有標(biāo)準(zhǔn)。

另一方面，有些方案(比如Viking Technology公司的ArxCis-NV)將DRAM與閃存整合在一起。閃存作為備份，用于在斷電時(shí)保存DRAM的內(nèi)容。超級(jí)電容器足以執(zhí)行復(fù)制操作。

使用這些混合存儲(chǔ)器的難題在于軟件需要考慮非易失性。過去，具有磁芯存儲(chǔ)器的計(jì)算機(jī)可以在不重裝操作系統(tǒng)或應(yīng)用程序的情況下關(guān)斷和導(dǎo)通。這可以節(jié)省相當(dāng)長的時(shí)間，對(duì)于嵌入式應(yīng)用來講非常方便。

現(xiàn)在，主要存儲(chǔ)器一般是DRAM。關(guān)斷系統(tǒng)后，這種存儲(chǔ)器中的內(nèi)容就會(huì)丟失，因此默認(rèn)的恢復(fù)過程就會(huì)重啟系統(tǒng)。與這些已經(jīng)保存了DRAM先前內(nèi)容的非易失性解決方案不同的是，保存在閃存中的引導(dǎo)程序不會(huì)丟失。

大多數(shù)這類混合解決方案的目標(biāo)應(yīng)用都是企業(yè)系統(tǒng)，不過由于它們采用標(biāo)準(zhǔn)DIMM插座，并且看起來像系統(tǒng)硬件的標(biāo)準(zhǔn)DDR2或DDR3 DRAM，因此這些混合方案可以輕松地整合到嵌入式應(yīng)用中。

曇花一現(xiàn)的PCI Express

帶寬是閃存可以使用的，不過諸如USB和SATA等諸多接口都受限于無法充分利用閃存的速度。PCI Express是加快數(shù)據(jù)移動(dòng)的一種方法。

非易失性內(nèi)存主機(jī)控制器接口(NVMHCI)工作組開發(fā)了NVM Express標(biāo)準(zhǔn)，并管理著該標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)可以提供非易失性存儲(chǔ)器(在這里基本上是指閃存)的接口。

SCSI Express是另一個(gè)正在準(zhǔn)備階段的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)可將閃存直接應(yīng)用到PCI Express接口中。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)別在于接口是SCSI適配器。SAS采用SCSI命令集，因此它可以有效地定義標(biāo)準(zhǔn)SAS接口。而傳統(tǒng)的SAS控制器需要其各自的供應(yīng)商提供的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

串行ATA 組織的SATA Express標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)類似的標(biāo)準(zhǔn)，不過該標(biāo)準(zhǔn)可以提供SATA接口。與SCSI Express一樣，SATA Express可以同樣輕松地通過接口實(shí)現(xiàn)硬盤存儲(chǔ)器和閃存。

NVM Express和SCSI Express標(biāo)準(zhǔn)都用于企業(yè)。支持熱插拔的板和驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)融合在一起。隨著這些平臺(tái)的日益普及，它們可能會(huì)在嵌入式系統(tǒng)中找到用武之地。由于這些平臺(tái)可以提供位于處理和網(wǎng)絡(luò)硬件所在的板上的高速解決方案，因此它們適合用于嵌入式應(yīng)用。

標(biāo)準(zhǔn)組織

上文已經(jīng)提到了大多數(shù)與閃存相關(guān)的重要組織，比如JEDEC、ONFI工作組和NVMHCI工作組。SD協(xié)會(huì)負(fù)責(zé)移動(dòng)存儲(chǔ)器的SD卡系列。同樣，CompactFlash協(xié)會(huì)負(fù)責(zé)管理CompactFlash標(biāo)準(zhǔn)。T10則負(fù)責(zé)管理SCSI和SCSI Express標(biāo)準(zhǔn)。串行ATA組織負(fù)責(zé)管理SATA Express標(biāo)準(zhǔn)。