移動電話中的存儲技術

2019-11-03 09:14:49

字體：大中小

來源：轉載

供稿：網友

　　摘要：本文主要介紹了移動電話中的存儲技術，包括電池支持的RAM，電磁媒質，NOR閃存，NAND閃存和DiskOnChip，并對它們的應用前景做了分析。

　　關鍵詞：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，視頻流等應用為特征，對內存的要求將上升到好幾百兆。這個變化擴大了對非易失性存儲系統（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、更小的材料清單（BOM）和更低的開發成本。

　　這些需求主要由高端用戶，生產商和運營商推動。用戶需要的是體積更小，電池使用壽命更長，性能更好，可以進行商業活動和娛樂的電話。生產商則希望降低成本，使用更復雜的操作系統，可以安全地啟動和運行，因此希望無錯地存儲代碼和數據。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據為中心的業務來增加收入，這也需要更大的存儲空間。

　　2.存儲技術

　　當選取非易失性存儲解決方案時，移動系統的設計者有許多選擇。第一，是否要將代碼和數據分開存儲，如果分開，是各自使用不同的技術還是使用同樣的技術不同的設備。分開存儲是更安全的選擇，是對傳統的嵌入式存儲解決方案的簡單擴展。對于小系統來說，這便于運行，在開發方面有優勢。缺點是增加設備的數量將影響成本，大小和電源消耗，存儲容量越大，影響就越大。

現有的幾種技術是：電池支持的RAM，電磁媒質，NOR閃存，NAND閃存和DiskOnChip。

　　2.1電池支持的RAM和電磁媒質

　　電池支持的RAM提供高速的隨機讀寫接入，它比較昂貴，體積大，而且需要連續供電。盡管這項技術在PDA中使用很廣泛，但是，從用戶的角度看，這種設備體積大，也比較重，還需要每天進行充電以免數據丟失。當需要大量存儲時，可以選擇電磁媒質，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如數據記錄器中使用。因此，對移動電話來說，選用這兩種技術的可能性都不是很大。

　　2.2 NOR技術

　　NOR是一種較好的選擇，這是一種可靠的技術，它在嵌入式系統中有很長的使用歷史，主要用于代碼的存儲，多數設計者都比較熟悉。如圖1所示，它有基于地址和數據總線的接口。因此，在進行讀寫操作時，不會發生錯誤。它提供了很好的讀的性能，可以隨機接入，可以“現場運行”（XIP）。如果將其擴展到存儲用戶數據，這樣非常簡單，但是當處理變得復雜時，就有許多問題需要考慮。首先，不可能僅是簡單地寫入數據到NOR閃存。在寫入之前，必須先將擦寫NOR閃存設備的目標位置。然而，當NOR閃存設備被組成“可擦寫的塊”時，擦寫不是按字節進行的，而是將整個塊都擦掉。這對代碼存儲來說很方便，先將整個設備都擦寫，然后重新進行編程，但是對數據存儲來說，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，讀一個字節約為100ns，寫一個字節用10～20ms。只有采用新的算法，能夠識別數據中的新項，才能加速這個處理過程。

　　一個擦寫塊可進一步分為編程塊。當擦掉后，所有的比特位處于“1”狀態，寫數據僅將一些比特變為“0”態，剩下的“1”比特位可寫，但僅可以變為“0”態。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，實際的次數取決于不同的設備。NOR閃存設備也有使用壽命，一般是設備可擦寫次數的函數。通常是100s或者1000s的倍數。每進行一次擦寫之后，下一次的擦寫時間就增加了。當一個設備到達其使用壽命時，擦一個塊的時間將會超過預期值，會變得很不可靠。因此，為確保設備能夠最合理地使用，管理算法應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，許多系統設計者并不熟悉。如圖2所示，它的接口更像一個I/O設備，它的存儲單元比NOR設備的要小40％，因此在同樣大小的設備上有更大的存儲量。與NOR不同，NAND設備不是按字節進行編址。內部的單元像鏈一樣串行排列，一般為512字節，這些鏈可進一步排列成可擦寫的塊。

　　NAND設備的管理與NOR設備類似，但是更復雜。在寫入之前，必須首先進行擦寫，擦寫操作將單元設為“1”狀態，寫僅僅能夠將存儲單元設為“0”狀態。NAND也可以進行部分編程，設備也有一定的使用壽命，也需要合理的管理算法，使經常擦寫的塊和其他塊的老化速度一致。

　　為了達到100％的可靠性，在讀時，算法必須進行檢錯和糾錯，這會增加開銷。然而，有些應用并不要求100％的可靠性，如圖像和語音。因此，NAND可用在媒質卡中，然而，媒質卡的性能一般受到接口的限制。

　　對NAND設備來說，512B的讀操作耗時25ms，寫512B耗時250ms，一個塊的擦寫需要3ms。NAND設備的耗電量比NOR設備低，進行擦寫是最耗電的操作。NAND設備需要幾個微安培，而NOR設備則需要幾個毫安培的電流。由于NAND設備使用的電流更低，操作時間更短，所以它比NOR設備更省電。NAND設備也可連接到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手機中，寫不是一個很重要的部分，數據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手機中，寫的性能十分重要，非易失性存儲技術的選取將是一個十分關鍵的因素。

　　對使用數據庫類型操作的應用，如日歷和通信聯系簿，當編輯一條或者組織數據時，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據速率。如果這超過了存儲設備所能提供的性能，操作將會受到限制。要么減少幀的屬性，要么將數據暫時放到內存中，然后再存儲在非易失性存儲器中。這可以限制持續的流操作，但在寫入數據的時候引入了時延。

　　操作系統，文件流和開放的標準，有助于不同的應用呈指數型增長，操作環境不再是決定性的，還取決于操作系統和與其他運行的操作系統的相互作用。由于它們在一個系統內的奇異性，需要很小心地管理，以讓其性能最優。如果這些資源的處理很慢，不僅會影響使用這些資源的應用，也會潛在影響其他的應用。

　　隨著設備變滿，寫入新的數據變得更困難。為此，在進行寫操作之前，管理系統首先進行垃圾的收集整理。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。在NOR和NAND技術中，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量和部分寫的特征沒有了，數據速率會降低。因此，有人質疑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技術具有的成本優勢，使得MLC的采用是必然的。其他的因素只是在工程實現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。顧名思義，閃存具有磁盤的許多性質。其核心使用最新的非易失性存儲媒質，用一個小控制器保證硬件接口兼容性和可靠性。現在，DiskOnChipTM是基于NAND技術的，因為它是能提供高容量的技術。控制器提供了許多與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，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設備，它比使用標準的NAND設備有更低的成本。

　　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備作為啟動ROM（類似計算機的BIOS和硬盤）。DiskOnChip提供了一個內置的XIP啟動模塊，使它可以作為非易失性存儲設備。通過消除啟動ROM，可以進一步降低成本。另一個挑戰是軟件綜合。使用TrueFFS閃存管理和文件系統軟件，可以將閃存變成磁盤一樣的設備。在多數移動操作系統，如Symbian OS, Microsoft OS, linux和 Palm中，都提供了開發工具。

　　當移動電話不使用時，使用一種深度省電模式可以進一步減少電源的消耗，延長電池的使用壽命。

　　4.結束語

　　隨著對快速、可靠和高容量手機的需求，手機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勢。然而，NOR閃存仍將在以語音為中心的手機中扮演一個主要角色，在其他的移動應用中它也占有一席之地。

原創