華邦閃存flash基礎原理
1、閃存基本介紹
Flash存儲是存儲界的新人和紅人。Flash存儲系統(tǒng)由于其優(yōu)異的性能、高效的存儲密度和出色的節(jié)能特性使得Flash存儲有望替代機械磁盤成為企業(yè)級存儲的核心。未來很有可能所有的數(shù)據(jù)都會存儲在Flash存儲介質(zhì)上面，包括銀行、中小企業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)、電信等存儲大戶。
紫外線可擦除存儲器
當年沉迷于電子設計的時候，沒有想到一個小小的Flash居然能夠做成一個新興的存儲產(chǎn)業(yè)。做電子設計的時候，很多時候需要用到存儲芯片，比較老的存儲芯片如TI的27系列紫外線可擦除存儲器。
該存儲器需要通過紫外線照射的方式擦除已經(jīng)存儲的數(shù)據(jù)。也就是需要擦除數(shù)據(jù)的時候，將芯片放到太陽光底下去曬一段時間，曬完之后，存儲在芯片內(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器EEPROM。
電可擦寫存儲器EEPROM
EEPROM的典型代表是SPI接口的93CXX系列存儲器，以及I2C接口的24CXX系列存儲器。這些EEPROM容量都比較小，通常用來存儲一些小容量數(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在93C46之類的芯片中。
這種存儲器一個比較好的特點是可以進行字節(jié)級編程，但是讀寫性能都很差。如果要進行大數(shù)據(jù)存儲，是不能采用此類芯片的。例如，當初我設計一個收費站監(jiān)控系統(tǒng)，需要存儲一個月的營業(yè)額，那么需要采用大容量的可編程存儲器進行數(shù)據(jù)存儲。此時就需要采用Flash存儲芯片了。
Flash存儲芯片
和EEPROM相比，F(xiàn)lash存儲芯片的一個特點是存儲容量大，并且以塊單元進行數(shù)據(jù)擦除操作，以Page頁的方式進行數(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行讀寫、擦除操作。
在電子設計的時候，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)就構成了一個Flash芯片的驅(qū)動程序。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接口時序。如果設計的板子上有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計一個Flash芯片的時序控制器，這樣CPU控制器就無需采用軟件方式模擬Flash時序了。
這些事情是電子設計工程師經(jīng)常干的，而且也非常熟悉的東西；贜AND Flash設計的存儲系統(tǒng)電路圖比較簡單，如下圖所示：
上面提到的Flash其實是NAND Flash，在電子設計的時候還會經(jīng)常用到另外一種Flash——NOR Flash。
NOR Flash通常是用作程序存儲器，容量不是很大。和NAND Flash相比，其最大的特點是讀取速度快，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器。
在低速的51系統(tǒng)中，程序可以直接運行在NOR Flash上；在高速的ARM系統(tǒng)中，程序需要從NOR Flash中引導到Memory中，然后在Memory中運行。和NAND Flash相比，NOR Flash的接口也大不一樣。NOR Flash采用的是標準總線接口，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小的NOR Flash燒錄程序，通過ARM處理器內(nèi)部的Bootload程序?qū)⑦@個燒錄程序下載到內(nèi)存中，然后運行該燒錄程序。編寫的該燒錄程序有如下幾個方面的功能：
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
在未踏入存儲這個行業(yè)的時候，對NAND Flash也就是這個理解，僅僅是作為電子設計的一個大容量存儲器而已，最多在嵌入式的環(huán)境下跑跑Flash的文件系統(tǒng)。但是，這么多年對存儲進行深入研究、開發(fā)之后發(fā)現(xiàn)，NAND Flash的確擁有很多的優(yōu)勢，但是同時也存在很多的問題。如果想要將NAND Flash應用到企業(yè)級存儲領域，那么面臨的挑戰(zhàn)將十分嚴峻。有一篇文章《采用NAND Flash設計存儲設備的挑戰(zhàn)在哪里》也蜻蜓點水的分析了一下NAND Flash作為企業(yè)級存儲介質(zhì)存在的一些挑戰(zhàn)，真正想把NAND Flash的特點發(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，然后對外提供標準的塊設備接口，從而使得傳統(tǒng)的應用軟件可以直接在Flash上跑起來。
可以說FTL是Flash存儲最底層的核心技術，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)的機械磁盤相媲美，在性能上遠遠超過傳統(tǒng)硬盤。
到目前為止，個人認為FTL算法已經(jīng)研究的相對很成熟了，所以，基于FTL的Flash盤應該說可以大規(guī)模應用了，其主要障礙就在于NAND Flash芯片成本了。
基于flash閃存存儲系統(tǒng)重點
在企業(yè)級Flash存儲中，僅僅有FTL算法是遠遠不夠的。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)模存儲系統(tǒng)？
這些存儲級別的問題還沒有得到完美的解決。
個人認為，在Flash存儲這一塊，RAID技術、文件系統(tǒng)、互連技術、多處理器并行（集群）處理技術應該是研發(fā)攻關的重點。
編輯：Simon 最后修改時間：2019-06-14
