uClinux平台下的Flash存储的技术

较为详细地介绍嵌入式操作系统uclinux平台下的flash存储技术,并给出基于三星S3C4510系统下Dlash存储器具体设计实例。

关键词:Flash存储技术 uClinux平台 S3C4510

1 Flash类型与技术特点

Flash主要分为NOR和NAND两类。下面对二者作较为详细的比较。

1.1 性能比较

Flash闪存是非易失存储器,可以对存储器单元块进行擦写和再编程。任何Flash器件进行写入操作前必须先执行擦除。NAND器件执行擦除操作十分简单;而NOR则要求在进行擦除前,先要将目标块内所有的位都写为0。擦除NOR器件时是以64~128KB的块进行的,执行一个写入/擦除操作的时间为1~5s;擦除NAND器件是以8~32KB的块进行的,执行相同的操作最多只需要4ms。执行擦除时,块尺寸的不同近一步拉大了NOR和NADN之间的性能差距。统计表明,对于给定的一套写入操作(尤其是更新小文件时),更多的擦除操作必须在基于NOR的单元中进行。因此,当选择存储解决方案时,设计师必须权衡以下的各项因素。

*NOR的读取速度比NAND稍快一些。

*NAND的写入速度比NOR快很多。

*NAND的擦除速度远比NOR快。

*大多数写入操作需要先进行擦除操作。

*NAND的擦除单元更小,相应的擦除电路更少。

1.2 接口差别

NOR Flash带有SRAM接口,有足够的地址引脚来寻址,可以很容易地存取其内容的每一字节。

NAND器件使用复杂的I/O口来串行地存取数据,各个产品或厂商的方法可能各不相同。8个引脚用来传送控制、地址和数据信息。NAND的读和写操作采用512字节的块,这一点有点像硬盘管理此类操作。很自然地,基于NAND的存储器就可以取代硬盘或其它块设备。

1.3 容量和成本

NAND Flash的单元尺寸几乎是NOR器件的一半。由于生产过程更为简单,NAND结构可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量,也就相应地降低了价格。

NOR Flash占据了大部分容量为1~16MB的内存市场,而NAND Flash只是用在8~128MB的产品当中。

1.4 可靠性和耐用性

采用Flash介质时,一个需要重点考虑的问题是可靠性。对于需要扩展MTBF的系统来说,Flash是非常合适的存储方案。可以从寿命(耐用性)、位交换和坏块处理三个方面来比较NOR和NAND的可靠性。

(1)寿命(耐用性)

在NAND闪存中,每个块的最大擦写次数是100万次,而NOR的擦写次数是10万次。NAND存储器除了具有10:1的块擦除周期优势外,典型的NAND块尺寸要比NOR器件小8位,每个NAND存储器块在给定时间闪的删除次数要少一些。

(2)位交换

所有Flash器件都受位交换现象的困扰。在某些情况下(很少见,NAND发生的次数要比NOR多),一个比特位会发生反转或被报告反转了。

一位的变化可能不很明显,但是如果发生在一个关键文件上,这个小小的故障就可能导致系统停机。如果只是报告有问题,多读几次就可能解决。

位反转的问题更多见于NAND闪存,NAND的供应商建议使用NAND闪存的时候,同时使用EDC/ECC算法。当然,如果用本地存储设备来存储操作系统、配置文件或其它敏感信息时,必须使用EDC/ECC系统以确保可靠性。

(3)坏块处理

NAND器件中的不坏块是随机分布的。以前做过消除坏块的努力,但发现成品率太低,代价太高,根本不划算。NAND器件需要对介质进行初始化扫描以发现坏块,并将坏块标记为不可用。在已制成的器件中,如果通过可靠的方法不能进行这项处理。将导致高故障率。

1.5 易用性

可以非常直接地使用基于NOR的闪存,像其它存储器那样连接,并可以在上面直接运行代码。由于需要I/O接口,NAND要复杂得多。各种NAND器件的存取方法因厂家而异。在使用NAND器件时,必须先写入驱动程序,才能继续执行其它操作。向NAND器件写入信息需要相当的技巧,因为设计师绝不能向坏块写入,这就意味着在NAND器件上自始至终都必须进行虚拟映射。

1.6 软件支持

在NOR器件上运行代码不需要任何的软件支持。在NAND器件上进行同样操作时,通常需要驱动程序,也就是闪存技术驱动程序(MTD)。NAND和NOR器件在进行写入和擦除操作时都需要MTD。使用NOR器件时,所需要的MTD要相对少一些。许多厂商都提供用于NOR器件的更高级的软件,其中包括M-System的TrueFFS驱动,该驱动被Wind River System、Microsoft、QNX Sotrware System、Symbian和Intel等厂商所采用。驱动还用于对DiskOnChip产品进行仿零点和NAND闪存的管理,包括纠错、坏块处理和损耗平衡。

目前,NOR Flash的容量从几KB~64MB不等,NAND Flash存储芯片的容量从8MB~128MB,而DiskonChip可以达到1024MB。

2 系统设计

Flash在每MB的存储开销上较RAM要昂贵,但对于uClinux系统来说,选择Flash作为存储器具有一定的优势。UClinux系统在上电后,需要运行的程序代码和数据都可以存储在Flash中,甚至放在CPU起始地址中的uClinux启动内核都可以写入Flash中。从一定意义上讲,嵌入式系统只用Flash就可以完成所需的存储功能。

Flash存储器的分区较硬盘的分区更为简单,分区后的Flash使用起来更加方便。典型的Flash分区如下。

SEGMENT PURPOSE

0 Bootloader

1 factory configuration

2

┆ kernel

X

┆ root filesystem

Y

分区0放置Bootloader,分区1放置factory configuration,分区2到分区X放置系统内核,分区X到分区Y放置根文件系统。Flash的分区可以根据需要划分,uClinux中支持Flash存储器的块设备驱动负责定义上述的分区。