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關(guān)鍵詞：非易失性存儲 NOR NAND DiskOnChip
1.引言
3G或者未來的4G移動電話，以多媒體報文，視頻流等應(yīng)用為特征，對內(nèi)存的要求將上升到好幾百兆。這個變化擴(kuò)大了對非易失性存儲系統(tǒng)（如2G中的SRAM，NOR閃存等）的需求。將來對移動電話中的非易失性存儲系統(tǒng)的要求是：更高的容量，16～64MB；良好的讀寫性能；高可靠性；低電源消耗；基于文件的存儲；體積小；更小的系統(tǒng)、更小的材料清單（BOM）和更低的開發(fā)成本。
這些需求主要由高端用戶，生產(chǎn)商和運營商推動。用戶需要的是體積更小，電池使用壽命更長，性能更好，可以進(jìn)行商業(yè)活動和娛樂的電話。生產(chǎn)商則希望降低成本，使用更復(fù)雜的操作系統(tǒng)，可以安全地啟動和運行，因此希望無錯地存儲代碼和數(shù)據(jù)。從運營商的觀點看，由于ARPU值不斷下降，他們希望提供更多以數(shù)據(jù)為中心的業(yè)務(wù)來增加收入，這也需要更大的存儲空間。
2.存儲技術(shù)
當(dāng)選取非易失性存儲解決方案時，移動系統(tǒng)的設(shè)計者有許多選擇。第一，是否要將代碼和數(shù)據(jù)分開存儲，如果分開，是各自使用不同的技術(shù)還是使用同樣的技術(shù)不同的設(shè)備。分開存儲是更安全的選擇，是對傳統(tǒng)的嵌入式存儲解決方案的簡單擴(kuò)展。對于小系統(tǒng)來說，這便于運行，在開發(fā)方面有優(yōu)勢。缺點是增加設(shè)備的數(shù)量將影響成本，大小和電源消耗，存儲容量越大，影響就越大。
現(xiàn)有的幾種技術(shù)是：電池支持的RAM，電磁媒質(zhì)，NOR閃存，NAND閃存和DiskOnChip。
2.1電池支持的RAM和電磁媒質(zhì)
電池支持的RAM提供高速的隨機(jī)讀寫接入，它比較昂貴，體積大，而且需要連續(xù)供電。盡管這項技術(shù)在PDA中使用很廣泛，但是，從用戶的角度看，這種設(shè)備體積大，也比較重，還需要每天進(jìn)行充電以免數(shù)據(jù)丟失。當(dāng)需要大量存儲時，可以選擇電磁媒質(zhì)，如小型磁盤。但是即使對PDA來說其體積也顯得稍大，它僅在便攜式嵌入式系統(tǒng)如數(shù)據(jù)記錄器中使用。因此，對移動電話來說，選用這兩種技術(shù)的可能性都不是很大。
2.2 NOR技術(shù)
NOR是一種較好的選擇，這是一種可靠的技術(shù)，它在嵌入式系統(tǒng)中有很長的使用歷史，主要用于代碼的存儲，多數(shù)設(shè)計者都比較熟悉。如圖1所示，它有基于地址和數(shù)據(jù)總線的接口。因此，在進(jìn)行讀寫操作時，不會發(fā)生錯誤。它提供了很好的讀的性能，可以隨機(jī)接入，可以“現(xiàn)場運行”（XIP）。如果將其擴(kuò)展到存儲用戶數(shù)據(jù)，這樣非常簡單，但是當(dāng)處理變得復(fù)雜時，就有許多問題需要考慮。
首先，不可能僅是簡單地寫入數(shù)據(jù)到NOR閃存。在寫入之前，必須先將擦寫NOR閃存設(shè)備的目標(biāo)位置。然而，當(dāng)NOR閃存設(shè)備被組成“可擦寫的塊”時，擦寫不是按字節(jié)進(jìn)行的，而是將整個塊都擦掉。這對代碼存儲來說很方便，先將整個設(shè)備都擦寫，然后重新進(jìn)行編程，但是對數(shù)據(jù)存儲來說，這是一個比較麻煩的問題。
閃存擦寫是一個比較耗時的處理過程。一般來說，一個塊的擦寫時間為100ms到幾秒，讀一個字節(jié)約為100ns，寫一個字節(jié)用10～20ms。只有采用新的算法，能夠識別數(shù)據(jù)中的新項，才能加速這個處理過程。
一個擦寫塊可進(jìn)一步分為編程塊。當(dāng)擦掉后，所有的比特位處于“1”狀態(tài)，寫數(shù)據(jù)僅將一些比特變?yōu)椤?”態(tài)，剩下的“1”比特位可寫，但僅可以變?yōu)椤?”態(tài)。這種方法稱為部分編程。這樣，一個塊可以被部分地擦寫多次，實際的次數(shù)取決于不同的設(shè)備。
NOR閃存設(shè)備也有使用壽命，一般是設(shè)備可擦寫次數(shù)的函數(shù)。通常是100s或者1000s的倍數(shù)。每進(jìn)行一次擦寫之后，下一次的擦寫時間就增加了。當(dāng)一個設(shè)備到達(dá)其使用壽命時，擦一個塊的時間將會超過預(yù)期值，會變得很不可靠。因此，為確保設(shè)備能夠最合理地使用，管理算法應(yīng)該使擦寫塊和其他塊的老化速度一致。
2.3 NAND閃存
NAND閃存是一種比NOR閃存新的技術(shù)，許多系統(tǒng)設(shè)計者并不熟悉。如圖2所示，它的接口更像一個I/O設(shè)備，它的存儲單元比NOR設(shè)備的要小40％，因此在同樣大小的設(shè)備上有更大的存儲量。與NOR不同，NAND設(shè)備不是按字節(jié)進(jìn)行編址。內(nèi)部的單元像鏈一樣串行排列，一般為512字節(jié)，這些鏈可進(jìn)一步排列成可擦寫的塊。
NAND設(shè)備的管理與NOR設(shè)備類似，但是更復(fù)雜。在寫入之前，必須首先進(jìn)行擦寫，擦寫操作將單元設(shè)為“1”狀態(tài)，寫僅僅能夠?qū)⒋鎯卧O(shè)為“0”狀態(tài)。NAND也可以進(jìn)行部分編程，設(shè)備也有一定的使用壽命，也需要合理的管理算法，使經(jīng)常擦寫的塊和其他塊的老化速度一致。
為了達(dá)到100％的可靠性，在讀時，算法必須進(jìn)行檢錯和糾錯，這會增加開銷。然而，有些應(yīng)用并不要求100％的可靠性，如圖像和語音。因此，NAND可用在媒質(zhì)卡中，然而，媒質(zhì)卡的性能一般受到接口的限制。
對NAND設(shè)備來說，512B的讀操作耗時25ms，寫512B耗時250ms，一個塊的擦寫需要3ms。NAND設(shè)備的耗電量比NOR設(shè)備低，進(jìn)行擦寫是最耗電的操作。NAND設(shè)備需要幾個微安培，而NOR設(shè)備則需要幾個毫安培的電流。由于NAND設(shè)備使用的電流更低，操作時間更短，所以它比NOR設(shè)備更省電。NAND設(shè)備也可連接到I/O總線，這樣會限制其性能，可以通過引入一個NAND控制器來消除這個限制，但是這樣做會增加成本。
3.寫性能的重要性
在2G手機(jī)中，寫不是一個很重要的部分，數(shù)據(jù)存儲的要求并不是很頻繁，因此有足夠的時間來完成操作。一般來講，NOR和NAND閃存都滿足它們的存儲要求。在3G和4G手機(jī)中，寫的性能十分重要，非易失性存儲技術(shù)的選取將是一個十分關(guān)鍵的因素。
對使用數(shù)據(jù)庫類型操作的應(yīng)用，如日歷和通信聯(lián)系簿，當(dāng)編輯一條或者組織數(shù)據(jù)時，如果操作耗時，會使得用戶很不滿意。例如，在可拍照的手機(jī)中，每幅圖片的寫入需要10～100s。幀速率，色彩深度和幀大小決定了數(shù)據(jù)速率。如果這超過了存儲設(shè)備所能提供的性能，操作將會受到限制。要么減少幀的屬性，要么將數(shù)據(jù)暫時放到內(nèi)存中，然后再存儲在非易失性存儲器中。這可以限制持續(xù)的流操作，但在寫入數(shù)據(jù)的時候引入了時延。
操作系統(tǒng)，文件流和開放的標(biāo)準(zhǔn)，有助于不同的應(yīng)用呈指數(shù)型增長，操作環(huán)境不再是決定性的，還取決于操作系統(tǒng)和與其他運行的操作系統(tǒng)的相互作用。由于它們在一個系統(tǒng)內(nèi)的奇異性，需要很小心地管理，以讓其性能最優(yōu)。如果這些資源的處理很慢，不僅會影響使用這些資源的應(yīng)用，也會潛在影響其他的應(yīng)用。
隨著設(shè)備變滿，寫入新的數(shù)據(jù)變得更困難。為此，在進(jìn)行寫操作之前，管理系統(tǒng)首先進(jìn)行垃圾的收集整理。如果寫入操作變得很慢，將會阻礙用戶的使用。
一個可行的解決方案是使用多級單元（MLC）閃存技術(shù)。在NOR和NAND技術(shù)中，一個存儲單元只能存儲一個比特，而在MLC中一個單元可以存儲2個比特，對同樣大小的物理設(shè)備來說，這加倍了存儲容量，將每個比特的成本減半。由于這種存儲方式，MLC的錯誤率比單級單元要高。由于管理每個單元的控制數(shù)量和部分寫的特征沒有了，數(shù)據(jù)速率會降低。因此，有人質(zhì)疑MLC在移動市場中的適用性。然而，隨著市場對增加容量和降低成本的需求，由于MLC技術(shù)具有的成本優(yōu)勢，使得MLC的采用是必然的。其他的因素只是在工程實現(xiàn)中所需要解決的一些問題。
最新的非易失性存儲方案是DiskOnChipTM技術(shù)。顧名思義，閃存具有磁盤的許多性質(zhì)。其核心使用最新的非易失性存儲媒質(zhì)，用一個小控制器保證硬件接口兼容性和可靠性。現(xiàn)在，DiskOnChipTM是基于NAND技術(shù)的，因為它是能提供高容量的技術(shù)�？刂破魈峁┝嗽S多與NOR類似的接口，這保證了它的兼容性。使用基于閃存管理的TrueFFS技術(shù)，控制器也可以管理NAND的錯誤問題。到目前為止，DiskOnChipTM是唯一支持多級單元的NAND設(shè)備，它比使用標(biāo)準(zhǔn)的NAND設(shè)備有更低的成本。
使用NAND的一個缺點是它不支持XIP，這要求它使用一個額外的非易失性設(shè)備作為啟動ROM（類似計算機(jī)的BIOS和硬盤）。DiskOnChip提供了一個內(nèi)置的XIP啟動模塊，使它可以作為非易失性存儲設(shè)備。通過消除啟動ROM，可以進(jìn)一步降低成本。
另一個挑戰(zhàn)是軟件綜合。使用TrueFFS閃存管理和文件系統(tǒng)軟件，可以將閃存變成磁盤一樣的設(shè)備。在多數(shù)移動操作系統(tǒng)，如Symbian OS, Microsoft OS, Linux和 Palm中，都提供了開發(fā)工具。
當(dāng)移動電話不使用時，使用一種深度省電模式可以進(jìn)一步減少電源的消耗，延長電池的使用壽命。
4.結(jié)束語
隨著對快速、可靠和高容量手機(jī)的需求，手機(jī)的體積和成本變得日益重要，NAND閃存和Chip-based 磁盤可以作為非易失性存儲系統(tǒng)的解決方案。MLC NAND的引入是因為它與NOR相比有成本和體積的優(yōu)勢。然而，NOR閃存仍將在以語音為中心的手機(jī)中扮演一個主要角色，在其他的移動應(yīng)用中它也占有一席之地。
原創(chuàng)
