華邦閃存flash基礎(chǔ)原理
1、閃存基本介紹
Flash存儲(chǔ)是存儲(chǔ)界的新人和紅人。Flash存儲(chǔ)系統(tǒng)由于其優(yōu)異的性能、高效的存儲(chǔ)密度和出色的節(jié)能特性使得Flash存儲(chǔ)有望替代機(jī)械磁盤成為企業(yè)級(jí)存儲(chǔ)的核心。未來很有可能所有的數(shù)據(jù)都會(huì)存儲(chǔ)在Flash存儲(chǔ)介質(zhì)上面，包括銀行、中小企業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)、電信等存儲(chǔ)大戶。
紫外線可擦除存儲(chǔ)器
當(dāng)年沉迷于電子設(shè)計(jì)的時(shí)候，沒有想到一個(gè)小小的Flash居然能夠做成一個(gè)新興的存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)。做電子設(shè)計(jì)的時(shí)候，很多時(shí)候需要用到存儲(chǔ)芯片，比較老的存儲(chǔ)芯片如TI的27系列紫外線可擦除存儲(chǔ)器。
該存儲(chǔ)器需要通過紫外線照射的方式擦除已經(jīng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。也就是需要擦除數(shù)據(jù)的時(shí)候，將芯片放到太陽光底下去曬一段時(shí)間，曬完之后，存儲(chǔ)在芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)就沒有了，芯片可以繼續(xù)編程使用了。此類芯片使用非常麻煩，所以記得到2000年初的時(shí)候已經(jīng)很少有人使用這種芯片了，取而代之用的最多的就是電可擦寫存儲(chǔ)器EEPROM。
電可擦寫存儲(chǔ)器EEPROM
EEPROM的典型代表是SPI接口的93CXX系列存儲(chǔ)器，以及I2C接口的24CXX系列存儲(chǔ)器。這些EEPROM容量都比較小，通常用來存儲(chǔ)一些小容量數(shù)據(jù)，例如系統(tǒng)的配置信息。像網(wǎng)卡的配置信息、PCI橋的配置信息都存儲(chǔ)在93C46之類的芯片中。
這種存儲(chǔ)器一個(gè)比較好的特點(diǎn)是可以進(jìn)行字節(jié)級(jí)編程，但是讀寫性能都很差。如果要進(jìn)行大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，是不能采用此類芯片的。例如，當(dāng)初我設(shè)計(jì)一個(gè)收費(fèi)站監(jiān)控系統(tǒng)，需要存儲(chǔ)一個(gè)月的營業(yè)額，那么需要采用大容量的可編程存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。此時(shí)就需要采用Flash存儲(chǔ)芯片了。
Flash存儲(chǔ)芯片
和EEPROM相比，F(xiàn)lash存儲(chǔ)芯片的一個(gè)特點(diǎn)是存儲(chǔ)容量大，并且以塊單元進(jìn)行數(shù)據(jù)擦除操作，以Page頁的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。該類芯片都采用IO接口的方式與CPU相連，即通過命令的方式進(jìn)行讀寫、擦除操作。
在電子設(shè)計(jì)的時(shí)候，使用Flash芯片最大的問題在于開發(fā)Flash的操作函數(shù)集，例如讀page函數(shù)、寫page函數(shù)、塊擦除函數(shù)。在操作系統(tǒng)環(huán)境里，這些函數(shù)就構(gòu)成了一個(gè)Flash芯片的驅(qū)動(dòng)程序。此外，由于控制器通常采用GPIO和Flash相連，因此需要通過程序的方式模擬Flash接口時(shí)序。如果設(shè)計(jì)的板子上有FPGA/CPLD之類的可編程器件，那么可以通過Verilog/VHDL語言或者通過圖形的方式設(shè)計(jì)一個(gè)Flash芯片的時(shí)序控制器，這樣CPU控制器就無需采用軟件方式模擬Flash時(shí)序了。
這些事情是電子設(shè)計(jì)工程師經(jīng)常干的，而且也非常熟悉的東西；贜AND Flash設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)系統(tǒng)電路圖比較簡單，如下圖所示：
上面提到的Flash其實(shí)是NAND Flash，在電子設(shè)計(jì)的時(shí)候還會(huì)經(jīng)常用到另外一種Flash——NOR Flash。
NOR Flash通常是用作程序存儲(chǔ)器，容量不是很大。和NAND Flash相比，其最大的特點(diǎn)是讀取速度快，但是寫入速度要比NAND Flash慢，容量要小的多。因此，NOR Flash通常被用作程序存儲(chǔ)器。
在低速的51系統(tǒng)中，程序可以直接運(yùn)行在NOR Flash上；在高速的ARM系統(tǒng)中，程序需要從NOR Flash中引導(dǎo)到Memory中，然后在Memory中運(yùn)行。和NAND Flash相比，NOR Flash的接口也大不一樣。NOR Flash采用的是標(biāo)準(zhǔn)總線接口，有地址線、數(shù)據(jù)線和控制線之分，因此，處理器可以直接與NOR Flash相連，而不像NAND Flash一樣還需要接口控制器。一個(gè)典型的NOR Flash電路原理圖如下所示：
NOR Flash中的程序是需要編程寫入的。如果是外置式的NOR Flash，那么需要一些小的技巧才能將程序?qū)懭隢OR Flash。在ARM處理器中，最常用的思路是首先編寫一個(gè)小的NOR Flash燒錄程序，通過ARM處理器內(nèi)部的Bootload程序?qū)⑦@個(gè)燒錄程序下載到內(nèi)存中，然后運(yùn)行該燒錄程序。編寫的該燒錄程序有如下幾個(gè)方面的功能：
1、初始化內(nèi)存，使得ARM處理器能夠使用所有的板載內(nèi)存
2、通過串口接收需要燒錄的程序數(shù)據(jù)，并且把需要下載的數(shù)據(jù)緩存至內(nèi)存中
3、能夠操作NOR Flash，并且將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)燒寫入NOR Flash
上述這些工作是嵌入式工程師經(jīng)常需要做的事情。
Flash的未來
在未踏入存儲(chǔ)這個(gè)行業(yè)的時(shí)候，對(duì)NAND Flash也就是這個(gè)理解，僅僅是作為電子設(shè)計(jì)的一個(gè)大容量存儲(chǔ)器而已，最多在嵌入式的環(huán)境下跑跑Flash的文件系統(tǒng)。但是，這么多年對(duì)存儲(chǔ)進(jìn)行深入研究、開發(fā)之后發(fā)現(xiàn)，NAND Flash的確擁有很多的優(yōu)勢，但是同時(shí)也存在很多的問題。如果想要將NAND Flash應(yīng)用到企業(yè)級(jí)存儲(chǔ)領(lǐng)域，那么面臨的挑戰(zhàn)將十分嚴(yán)峻。有一篇文章《采用NAND Flash設(shè)計(jì)存儲(chǔ)設(shè)備的挑戰(zhàn)在哪里》也蜻蜓點(diǎn)水的分析了一下NAND Flash作為企業(yè)級(jí)存儲(chǔ)介質(zhì)存在的一些挑戰(zhàn)，真正想把NAND Flash的特點(diǎn)發(fā)揮到極致，需要走的路還很長。業(yè)內(nèi)很多人都在研究Flash Translation Layer（FTL）算法，目的就是要把NAND Flash的問題屏蔽掉，然后對(duì)外提供標(biāo)準(zhǔn)的塊設(shè)備接口，從而使得傳統(tǒng)的應(yīng)用軟件可以直接在Flash上跑起來。
可以說FTL是Flash存儲(chǔ)最底層的核心技術(shù)，其解決了不均衡的性能問題、寫放大問題、塊擦除的壽命問題。通過這些問題的解決，使得NAND Flash很多方面可以和傳統(tǒng)的機(jī)械磁盤相媲美，在性能上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)硬盤。
到目前為止，個(gè)人認(rèn)為FTL算法已經(jīng)研究的相對(duì)很成熟了，所以，基于FTL的Flash盤應(yīng)該說可以大規(guī)模應(yīng)用了，其主要障礙就在于NAND Flash芯片成本了。
基于flash閃存存儲(chǔ)系統(tǒng)重點(diǎn)
在企業(yè)級(jí)Flash存儲(chǔ)中，僅僅有FTL算法是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。基于Flash如何做盤陣？
基于Flash如果做文件系統(tǒng)？
基于Flash如果做大規(guī)模存儲(chǔ)系統(tǒng)？
這些存儲(chǔ)級(jí)別的問題還沒有得到完美的解決。
個(gè)人認(rèn)為，在Flash存儲(chǔ)這一塊，RAID技術(shù)、文件系統(tǒng)、互連技術(shù)、多處理器并行（集群）處理技術(shù)應(yīng)該是研發(fā)攻關(guān)的重點(diǎn)。
編輯：Simon 最后修改時(shí)間：2019-06-14
