內(nèi)存子系統(tǒng)不需要顯著的學(xué)習(xí)曲線。對(duì)于新手工程師來說，當(dāng)今嵌入式系統(tǒng)和隨附的內(nèi)存子系統(tǒng)的復(fù)雜性有時(shí)會(huì)產(chǎn)生學(xué)習(xí)曲線。內(nèi)存包括作為臨時(shí)（易失性）或持久（非易失性）存儲(chǔ)“容器”運(yùn)行的硬件組件。這些帶電電路的神奇塊存儲(chǔ)信息狀態(tài)，用于指令（二進(jìn)制代碼）并將數(shù)據(jù)組織為可尋址字節(jié)（8位），雙字節(jié)（16位）和四字節(jié)（32位）。

結(jié)合控制內(nèi)存子系統(tǒng)等資源的嵌入式操作系統(tǒng)（OS），軟件指示處理器（CPU）沿著地址線發(fā)送突發(fā)電力，該地址線標(biāo)識(shí)轉(zhuǎn)換在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的芯片中的位置。該脈沖可以打開或關(guān)閉連接到數(shù)據(jù)線的晶體管。當(dāng)電脈沖到達(dá)地址線時(shí)，脈沖流過閉合的晶體管，并為存儲(chǔ)相當(dāng)于1（導(dǎo)通）位的電容器充電，相反，未充電的電容器表示0（關(guān)斷）位。

1. 信息的記憶位數(shù)組（部分顯示）。

易失性存儲(chǔ)器用作隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 （RAM）。只有在通電時(shí)才能保持其內(nèi)容物。為了補(bǔ)充RAM的使用，在早期的嵌入式系統(tǒng)中，只讀存儲(chǔ)器（ROM）通常用于運(yùn)行操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序?？梢砸宰止?jié)（8 位）信息單位訪問任一內(nèi)存源。

非易失性存儲(chǔ)器可保留數(shù)據(jù)。對(duì)于傳統(tǒng) PC、Mac 和服務(wù)器，持久內(nèi)存存儲(chǔ)已用于存儲(chǔ)更大的可尋址字節(jié)容器— 通?；诘讓臃纸M（稱為扇區(qū)）進(jìn)行組織。物理尺寸和低功耗要求通常不是固定磁盤或固態(tài)設(shè)備 （SSD） 等存儲(chǔ)系統(tǒng)的優(yōu)先事項(xiàng)。對(duì)于尺寸和低功耗至關(guān)重要的小型嵌入式系統(tǒng)，情況并非如此。此持久性存儲(chǔ)介質(zhì)是可移動(dòng)的（SD 或 CF 卡，或 USB 閃存驅(qū)動(dòng)器），并且無論是否存在電源，都應(yīng)保留其內(nèi)容。512 和 4192 KB 的塊是這些小型設(shè)備的常用大小。鑒于許多嵌入式系統(tǒng)外形小巧，設(shè)備內(nèi)存要求和物理空間限制通常決定了可以使用的內(nèi)存類型。

易失性存儲(chǔ)器基礎(chǔ)知識(shí)

易失性存儲(chǔ)器可用于讀取CPU執(zhí)行的指令，從而導(dǎo)致執(zhí)行某些操作，有時(shí)將數(shù)據(jù)寫回內(nèi)存。當(dāng)今功能強(qiáng)大的嵌入式 CPU 可以處理和訪問 32 位（甚至 64 位）值的信息。8位計(jì)算的日子早已一去不復(fù)返了。

RAM由一個(gè)或多個(gè)芯片組成，可以與CPU和I / O端口一起駐留在相同的封裝基板中，稱為片上系統(tǒng)（SoC），這在可用電路板空間有限的小型設(shè)備（如無人機(jī)，家用傳感器等）中很常見。

非易失性存儲(chǔ)器基礎(chǔ)知識(shí)

閃存最初被稱為閃存RAM，正在成為首選的永久存儲(chǔ)介質(zhì)，取代了旋轉(zhuǎn)磁盤。增岡不二雄博士于1984年在東芝工作時(shí)發(fā)明了閃存。他的同事有泉正治先生想出了閃光燈這個(gè)名字，因?yàn)閺募?xì)胞中擦除數(shù)據(jù)的過程讓他想起了相機(jī)閃光燈。

閃存是一種非易失性存儲(chǔ)器，經(jīng)過電編程，可長(zhǎng)期存儲(chǔ)。最初的電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）器件由列和行的網(wǎng)格組成，每個(gè)交叉點(diǎn)都有晶體管。一層薄薄的氧化物將每個(gè)晶體管與其他晶體管分開。如果一個(gè)晶體管（浮動(dòng)?xùn)艠O）與另一個(gè)晶體管（控制柵極）連接，則電池的值為1。如果此鏈接斷開，則該值變?yōu)?0。為了將電池組的值更改為0，將發(fā)生一個(gè)稱為福勒 - 諾德海姆隧道的過程，該過程會(huì)改變電池的電荷水平。當(dāng)電源斷開時(shí)，電池應(yīng)保留其最后設(shè)置（編程或擦除）。

認(rèn)為閃存僅用于消費(fèi)者移動(dòng)設(shè)備（如相機(jī)和智能手機(jī)）的看法是不正確的。在外形尺寸受限且需要永久數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的任何系統(tǒng)中，閃存經(jīng)常使用。閃存要么是駐留的（焊接到電路板上），要么是非駐留的（通過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)端口（如SD和USB）的可移動(dòng)設(shè)備）。閃存的美妙之處在于，沒有可能對(duì)可靠性產(chǎn)生負(fù)面影響的活動(dòng)部件，但與任何技術(shù)一樣，也有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，如表所示。

閃存的好壞。

市面上有兩種基本類型的閃存 — NOR 和 NAND。NOR最初設(shè)計(jì)用于取代只讀存儲(chǔ)器、三重定位器和易失性存儲(chǔ)器。它有一套完整的地址行，允許讀取單個(gè)字節(jié)。事實(shí)上，讀取通常與DRAM一樣快，允許程序直接從NOR存儲(chǔ)器運(yùn)行XIP（原位讀取）。但是，擦除非常慢，只要不經(jīng)常執(zhí)行擦除操作，就不會(huì)出現(xiàn)問題。NOR 最初用于可移動(dòng)的緊湊型閃存 （CF） 卡，是存儲(chǔ)操作系統(tǒng)映像、系統(tǒng)引導(dǎo)加載程序和系統(tǒng)配置信息的不錯(cuò)選擇。

與NOR相比，NAND的開發(fā)旨在實(shí)現(xiàn)更高的容量，更小的占地面積和更低的成本。但是，它僅限于串行接口。因此，單個(gè)字節(jié)不能直接訪問;讀取、寫入和擦除必須以塊（或塊）為單位執(zhí)行。該技術(shù)不適合替代ROM，但非常適合作為硬盤驅(qū)動(dòng)器的替代品。NAND已成為可移動(dòng)和常駐介質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)閃存技術(shù)，因此，它適用于需要低成本、高密度和快速擦除的應(yīng)用。

請(qǐng)注意塊和頁面之間的區(qū)別。每個(gè)塊由許多頁面組成，其中頁面大小通常為小塊（512 字節(jié)）或大塊（2048、4096 字節(jié)等）。塊大小很重要，因?yàn)槿绻涗洿笮∈情W存介質(zhì)上使用的基礎(chǔ)塊大小的偶數(shù)部分，則通常會(huì)獲得最佳結(jié)果。對(duì)于所有NAND，數(shù)據(jù)以頁面形式寫入，但頁面必須已被刪除（到所有1），并且只能擦除塊。

2. 頁面和塊。

如果我們沒有提到記憶單元是如何組織以存儲(chǔ)信息位的，那么關(guān)于NAND的討論將是不完整的。單級(jí)單元 （SLC） 為每個(gè)單元存儲(chǔ)一位信息。隨著存儲(chǔ)容量的增加，多級(jí)單元（MLC）和三級(jí)單元（TLC）已被開發(fā)出來，以為每個(gè)單元存儲(chǔ)多個(gè)位。但這種增加的容量有一些缺點(diǎn)。MLC的寫入性能通常約為SLC的三分之一到一半。其復(fù)雜性的增加也會(huì)產(chǎn)生更多的位錯(cuò)誤，需要更復(fù)雜的糾錯(cuò)碼（EC）來防止常見的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤情況。與SLC和MLC相比，TLC具有更慢的傳輸速度，更高的錯(cuò)誤率，需要更大的ECC，并且耐用性更低。當(dāng)塊寫入最少的次數(shù)時(shí)，耐久性更好。

典型的NAND需要一個(gè)控制器來處理主機(jī)和閃存之間的命令和數(shù)據(jù)移動(dòng)?？刂破魈峁┝藞?zhí)行基本操作（如塊讀取、寫入和擦除）的機(jī)制。許多設(shè)計(jì)都包含一個(gè)分立式控制器，該控制器僅提供這些功能，并將其他閃存管理活動(dòng)（例如更換損壞的模塊并確保均勻磨損）留給驅(qū)動(dòng)軟件。一些芯片設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)，通過將帶有NAND閃存的內(nèi)置控制器包含在稱為托管NAND的同一物理封裝中，可以提高效率。這些復(fù)雜的控制器以昂貴的芯片成本卸載了一些計(jì)算密集型軟件管理。

3. 納米閃存與托管納米

這有效地使器件能夠像典型的塊器件一樣工作，為主機(jī)文件系統(tǒng)提供更簡(jiǎn)單的接口。由于托管 NAND 的價(jià)格可與 NAND 本身的價(jià)格相媲美，因此嵌入式主板將常駐管理 NAND 作為嵌入式多媒體存儲(chǔ)卡 （eMMC） 而不是閃存和控制器也就不足為奇了。

雖然它代表了馴服NAND特性的巨大飛躍，但eMMC并不是一項(xiàng)完美的技術(shù)。在對(duì) eMMC 4.3 部件進(jìn)行了一系列性能基準(zhǔn)測(cè)試后，Datalight 的工程團(tuán)隊(duì)觀察到某些部件的性能不佳，尤其是在隨機(jī)讀取時(shí)。對(duì)于一個(gè)特定的 eMMC 部件，對(duì)大于 16 MB 的文件執(zhí)行的隨機(jī) I/O 會(huì)減慢到 200 字節(jié)/秒的傳輸速率，遠(yuǎn)低于順序 I/O 常見的數(shù)兆字節(jié)速率。

最終，適合您的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最佳閃存歸結(jié)為對(duì)其用例最重要的是什么。沒有一個(gè)閃存部件能夠以最低的價(jià)格提供高質(zhì)量、大存儲(chǔ)容量、非凡的耐用性和“殺手級(jí)”性能?？倳?huì)有一些權(quán)衡，應(yīng)該為特定應(yīng)用選擇正確的內(nèi)存部分。

界面

駐留閃存在閃存、數(shù)據(jù)和地址總線之間具有直接接口。為了避免系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員和閃存供應(yīng)商之間的混亂，通用閃存接口（CFI）定義了大多數(shù)供應(yīng)商支持并得到聯(lián)合電子設(shè)備工程委員會(huì)（JEDEC）非易失性存儲(chǔ)器小組委員會(huì)認(rèn)可的開放接口標(biāo)準(zhǔn)。因此，可移動(dòng)閃存符合物理、電氣和命令接口標(biāo)準(zhǔn)。這有效地允許各種不同的內(nèi)存供應(yīng)商選擇類似的部件。

這些標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)遷移到小型嵌入式系統(tǒng)。例如，第一個(gè) EIDE/ATA 連接是串行 AT 附件 （SATA） 接口標(biāo)準(zhǔn)的替代品，該標(biāo)準(zhǔn)的最大吞吐量為 133 MB/s。另一個(gè)流行的接口是小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口 （SCSI），由于使用 16 條并行線，速度高達(dá) 40 MB/s，因此在更短的時(shí)間內(nèi)移動(dòng)的數(shù)據(jù)比 EIDE 多。為了獲得更快的結(jié)果，Ultra-640 SCSI 可以以 640 MB/s 的速度傳輸數(shù)據(jù)。

令人驚訝的是，對(duì)于小型嵌入式電路板數(shù)據(jù)表，您可能必須四處尋找持久性存儲(chǔ)是否駐留在電路板上。例如，樹莓派3具有可用于可移動(dòng)介質(zhì)的微型SD和USB端口。

軟件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)堆棧

對(duì)于非易失性、持久性閃存，需要系統(tǒng)軟件來驅(qū)動(dòng)其運(yùn)行。該系統(tǒng)軟件提供了軟件服務(wù)的邏輯分離，使應(yīng)用程序能夠?qū)⑽募到y(tǒng)請(qǐng)求作為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)元素發(fā)出，這些請(qǐng)求又被轉(zhuǎn)換為塊請(qǐng)求，讓人聯(lián)想到傳統(tǒng)的基于塊的硬盤驅(qū)動(dòng)器中存在的請(qǐng)求。

4. 軟件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)堆棧。

Datalight的Reliance Nitro嵌入式文件系統(tǒng)實(shí)際上是一組相關(guān)的軟件模塊，每個(gè)模塊都有明確定義的軟件接口（稱為應(yīng)用程序編程接口或API），可以保護(hù)來自應(yīng)用程序的請(qǐng)求并確?？煽啃裕词箶嚯娨彩侨绱?。Reliance Nitro的可配置事務(wù)模型在數(shù)據(jù)實(shí)際寫入閃存時(shí)提供了微調(diào)的靈活性。

信實(shí)硝基是一種電源故障安全文件系統(tǒng)，可以插入到各種工業(yè)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，如VxWorks，Linux，安卓和Windows嵌入式。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，可以使用占用小內(nèi)存的物聯(lián)網(wǎng)文件系統(tǒng)，即信實(shí)邊緣，該系統(tǒng)可與FreeRTOS和MQX等小型嵌入式操作系統(tǒng)配合使用。

塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序從文件系統(tǒng)接收塊請(qǐng)求，并用作閃存轉(zhuǎn)換層 （FTL）。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)上使用的閃存和接口，F(xiàn)TL 執(zhí)行最初由文件系統(tǒng)執(zhí)行的請(qǐng)求。例如，數(shù)據(jù)照明的閃存FX太拉與NAND或NOR存儲(chǔ)器配合使用，并向系統(tǒng)的閃存控制器發(fā)出命令。

閃存驅(qū)動(dòng)程序不僅負(fù)責(zé)為基本閃存操作（讀取、寫入和擦除）提供支持，還負(fù)責(zé)優(yōu)化內(nèi)存的性能。由于閃存的使用壽命有限，連續(xù)重寫同一塊將導(dǎo)致零件過早磨損。為了防止這種情況，發(fā)明了磨損均衡算法，將磨損均勻地分布在閃光燈上。事實(shí)上，設(shè)計(jì)不佳的文件系統(tǒng)和塊驅(qū)動(dòng)程序軟件基本上會(huì)破壞良好的閃存。例如，標(biāo)準(zhǔn) FAT 文件系統(tǒng)在介質(zhì)的開頭不斷寫入和重寫文件分配表 （FAT）。如果塊沒有不斷重新定位，對(duì)這些塊的訪問可能會(huì)很快磨損閃存。

由于單個(gè)塊會(huì)隨著時(shí)間的推移而磨損，因此壞塊管理（BBM）軟件是塊驅(qū)動(dòng)程序的另一個(gè)重要部分。BBM 驗(yàn)證寫入數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測(cè)到寫入失敗時(shí)，壞塊將重新映射到專門為壞塊分配保留的備用塊。

您可能會(huì)認(rèn)為，使用托管NAND設(shè)備，您不需要閃存塊驅(qū)動(dòng)程序。數(shù)據(jù)照明的閃存與受管的 NAND 設(shè)備配合使用。由于隨機(jī)磁盤 I/O 非常重要，特別是對(duì)于 Android 嵌入式系統(tǒng)，F(xiàn)lashFXe 將隨機(jī) I/O 請(qǐng)求線性化，其方式是將實(shí)際的隨機(jī)讀取和寫入調(diào)度為順序 I/O 塊。因此，隨機(jī) I/O 性能會(huì)顯著提高。通過減少正在執(zhí)行的寫入次數(shù)，可以在某些用例中提高閃存耐久性。

數(shù)據(jù)生命周期

總而言之，重要信息根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)駐留在內(nèi)存中。首先是啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)。從非易失性閃存中，由整個(gè)系統(tǒng)（RTOS、驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序等）的靜態(tài)副本組成的啟動(dòng)映像被加載到 RAM 中。易失性存儲(chǔ)器被刷新，閃存中的非易失性數(shù)據(jù)再次可用。

接下來是正常操作。系統(tǒng)運(yùn)行后，必須執(zhí)行日常任務(wù)。對(duì)于基于傳感器的 IoT 設(shè)備，這些應(yīng)用使用本地閃存執(zhí)行工作并依賴于文件系統(tǒng)中的持久數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（和檢索）。這通常包括打開文件、讀取和寫入數(shù)據(jù)以及選擇性地執(zhí)行文件夾和其他文件系統(tǒng)操作。

但是存儲(chǔ)在設(shè)備上的數(shù)據(jù)很可能最終會(huì)到達(dá)企業(yè)的其他地方 - 私人或公共。趨勢(shì)是更多的數(shù)據(jù)收集、處理和分析要執(zhí)行，并在本地保存在嵌入式設(shè)備上。平臺(tái)正在不斷發(fā)展，為這些連接的設(shè)備提供安全、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)分析、軟件更新和連接服務(wù)。

最后一步是關(guān)閉和系統(tǒng)恢復(fù)：當(dāng)系統(tǒng)需要關(guān)閉電源時(shí)，有序關(guān)閉很重要。如果應(yīng)用了電源來完成對(duì)閃存的所有剩余 I/O 請(qǐng)求，則應(yīng)有序地關(guān)閉文件系統(tǒng)，并將數(shù)據(jù)信息正確保存到介質(zhì)中。

對(duì)軟件數(shù)據(jù)系統(tǒng)堆棧魯棒性的真正考驗(yàn)是在發(fā)生意外斷電時(shí)重建文件結(jié)構(gòu)所需的時(shí)間，這使得有序關(guān)機(jī)變得不可能?；谌罩镜奈募到y(tǒng)（如 ext4）可能需要一些時(shí)間來重放日志以重建文件系統(tǒng)。