發布日期：2022-04-26 點擊率：40
關鍵詞： Flash存儲
摘要：Flash 存儲問題總是在我們技術支持渠道位列榜首。Toradex 投入了大量資源保證存儲盡可能的穩定。然而，了解一些關于存儲的基本知識還是十分重要的。首先你需要知道存儲是否磨損，當往內置的存儲設備上寫入大量數據后，你就很容易損壞它。通過這篇博文，我們想要告訴你 Flash 存儲可能會遇到的一些問題。我們先簡單介紹技術內容。
Flash 存儲問題總是在我們技術支持渠道位列榜首。Toradex 投入了大量資源保證存儲盡可能的穩定。然而，了解一些關于存儲的基本知識還是十分重要的。首先你需要知道存儲是否磨損，當往內置的存儲設備上寫入大量數據后，你就很容易損壞它。通過這篇博文，我們想要告訴你 Flash 存儲可能會遇到的一些問題。我們先簡單介紹技術內容。
Flash 類型：Raw Flash vs Managed Flash
目前，Toradex 計算機模塊采用 NOR、NAND 和 eMMC Flash。
NOR 和 NAND 是 raw 存儲設備。NAND 和 NOR 之間的主要差別是 NOR 允許隨機尋址，不需要糾錯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，因此需要糾錯機制。
eMMC Flash 則結合使用 NAND 和一個內置控制器，后者處理大部分使用 NAND flash 時候，本來需要你自己完成的一些列任務。eMMC 也稱為 managed NAND。在另一方面，NAND 和 NOR 需要有 OS 和驅動來完成對應的處理。我們稍后會在本博文中討論這兩種不同的挑戰。
下面是我們的計算機模塊所使用的 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 密度隨著時間在不停增長。最早的 NAND 設備是 Single Level Cell (SLC) flash。這意味著每個閃存單元存儲一個bit位信息。借助 Multi Level Cell (MLC)，每個閃存單元可以存儲兩個或者多個bit位，bit 密度也隨之提升。MLC 聽起來很不錯，但是也有缺點：MLC NAND 也帶來更高的bit 錯誤率以及更低的壽命。所有的 eMMC 都使用 MLC NAND。有些 eMMC 設備可以在部分或者全部存儲區域上使用 pseudo-SLC (PSLC)。這將會減少存儲容量，但是提高設備上使用壽命。
這是 SLC 和 MLC 的簡單對比。
| 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
正如上面提到的，關于我們設備上使用的 flash 技術，您需要知道很重要的一點是，您只能有限次地擦寫存儲設備。往 flash 存儲上寫入大量的數據，并不是一個好的主意。上面的表格所示，根據所使用的 flash 類型不同，直到數據可能出現損壞或者丟失前，您可以進行 10K 到 100K 次寫操作。“擦寫周期” 這一個令人煩惱的事情。Flash 存儲的一個限制是，在被擦除之前是無法進行寫操作的。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字節，但是可能需要擦除整個塊。一個塊最大可以使 512KB。這種比你想象的要大的多的擦/寫比現象稱為寫放大。并且可能還有 flash 文件系統所需的額外寫操作。如果你想要評估你嵌入式設備上的存儲的壽命，你應該把這個也考慮進來。
提高 flash 壽命
下面的內容向你介紹如何提高 NAND 或者 eMMC 的壽命。不要擔心，這些工作都已經由 Toradex 完成，你不需采取任何工作。
防止磨損：磨損平衡
我們假設你已經了解 flash 只能被有限次地擦寫，并且你只是偶爾小批量地更新數據。如果這些數據總是寫在同一個 flash 單元，那么你只能在 MLC flash 上寫 15K 次。如果永遠不使用其他 flash 單元，你的數據將會丟失，一直在寫的存儲單元磨損后，flash 也就隨著報廢。智能的 flash 驅動會采用磨損平衡。這個技術確保所有的 flash 單元被平均磨損，而不是總是使用同一個單元。
檢測和糾正錯誤：糾錯碼
在 NAND flash 設備有可能發生一個位的數據發生翻轉，你的數據因此損壞。磨損或者其他干擾都有可能引起這個現象。因此，數據需要被糾錯碼（ECC）保護。根據 Flash 控制器和 NAND / eMMC 的不同，部分錯誤數據可以被檢測和糾正。
壞塊處理
ECC 使我們能夠發現錯誤的塊，我們就可以停止使用這些壞塊。根據 ECC 以及糾正的位數，可以設定容錯上限，這個范圍之內不需要采取進一步行動。一旦達到這個上限，數據被糾正，并轉移到正常的塊上面。 之前的位置表記為壞塊。這些壞塊不再被使用，因為它們可能已經損壞。
掉電保護
當你的設備在往 flash 寫數據的時候突然掉電，這將會發生什么？在嵌入式設備上，你希望設備仍舊可以正常啟動，并且數據不受到損壞。為了達到這個目的，所有相關的軟件和硬件都需要有能力應對這種情況。你將會在下面的內容中了解我們是如何做到的。
Toradex 系統模塊實施方法
正如上面提到的，關鍵是根據存儲的類型采用正確配置。我們會分析目前 Toradex BSP 上所使用的技術。
NAND 設備
下圖展示了在 NAND 設備上行 WinCE 和 Linux 的配置
存儲設備：我們的設備只要使用 NAND，那么都用的是 SLC NAND。
硬件驅動：硬件驅動為 NAND 設備和上層系統提供接口。上層系統也負責錯誤檢測和糾正。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：該層負責寫平衡和壞塊管理。在 Linux 中由 UBI 子系統完成；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：文件系統是實際管理分區以及所存文件的部分。用戶通過文件 API 來是用文件系統（Linux 中通過 VFS 層）。在Linux 上，目前我們使用 UBI FS。WinCE 使用 Transaction Save exFAT (TexFAT) 。兩者都可以應對掉電。基本的文件層通過支持原子操作來應對掉電發生。
eMMC 設備
下圖展示了在 eMMC 設備上行 WinCE 和 Linux 的配置
存儲設備：相對于 raw NAND，絕大多數的工作由 eMMC 本身完成。上層軟件不需要處理寫平衡、糾錯和壞塊管理。
硬件驅動：這是 MMC 控制器和文件系統之間的接口.
文件系統：和 NAND 設備一樣，WinCE 上仍舊使用 TexFAT；我們的 Linux 鏡像使用 ext3 文件系統。同樣也是能夠應對掉電情況。
結論和建議
Toradex 盡自己最大的努力提供可靠和持久的 flash 存儲。然而，在開發的過程中，你還是需要始終關注 flash 的使用。
減少 flash 訪問次數
了解你最終產品的寫操作行為
檢查在寫操作的情況下，你產品使用壽命是否能夠達到要求
進行壓力測試和持久測試
避免使用 Flash 全部容量，這可以極大地提高寫平衡算法的效率
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