技術(shù)分享 | 從eMMC到NAND，嵌入式系統(tǒng)存儲(chǔ)的軟件優(yōu)化策略
在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)領(lǐng)域，存儲(chǔ)器作為信息交互的核心載體，其技術(shù)特性直接影響著系統(tǒng)性能與穩(wěn)定性。然而，有些人在面對(duì)Linux、安卓等復(fù)雜操作系統(tǒng)環(huán)境時(shí)，理解其存儲(chǔ)機(jī)制尚存局限，為突破這些技術(shù)瓶頸，飛凌嵌入式希望通過對(duì)存儲(chǔ)相關(guān)知識(shí)的分享，助力大家構(gòu)建完整的存儲(chǔ)知識(shí)體系框架。
首先，嵌入式場(chǎng)景中常用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的介質(zhì)分為兩類：
·Managed NAND，以eMMC（embedded Multi-Media Card）TF卡、SD卡為主內(nèi)部帶有存儲(chǔ)管理控制器。
·Raw NAND，以NAND為主的未帶有存儲(chǔ)管理功能，只包含簡(jiǎn)單IO邏輯控制。
上圖描述了NAND存儲(chǔ)和eMMC存儲(chǔ)的關(guān)系，NAND Controller代指核心板的CPU，NAND指實(shí)際參與存儲(chǔ)的區(qū)域，由此看出實(shí)際上eMMC和NAND的區(qū)別在于存儲(chǔ)管理控制是在eMMC內(nèi)部還是核心板的 CPU。存儲(chǔ)管理主要包括功能：壞塊管理、ECC校驗(yàn)、磨損均衡、數(shù)據(jù)保持和地址管理及映射等。
一、存儲(chǔ)的相關(guān)概念
存儲(chǔ)類型分為SLC、MLC、TLC、QLC。嵌入式常用類型低存儲(chǔ)容量一般為SLC和MLC，高存儲(chǔ)容量一般是TLC。
SLC (Single-Level Cell) 速度快，壽命長(zhǎng)，價(jià)格貴，理論擦寫次數(shù)在10萬次左右。
MLC (Multi-Level Cell) 速度較快，壽命較長(zhǎng)、價(jià)格較貴，理論擦寫次數(shù)在3000-5000次。
TLC (Trinary-Level Cell) 速度較慢，壽命較短、價(jià)格最便宜，理論擦寫次數(shù)在1000-3000次。
QLC (Quad-Level Cell) 容量可以做的更大，成本上更低，劣勢(shì)就是P/E壽命更短。
pSLC (pseudo SLC) 以 MLC的FLASH為基礎(chǔ)，但在每個(gè)Cell中只存1 bit而不是2 bit數(shù)據(jù)。由于在同一個(gè)Cell中跟SLC一樣只存儲(chǔ)一個(gè)bit，但又不是真的 SLC，所以稱之pSLC。依上述原理，若將MLC用做pSLC，存儲(chǔ)空間將減半，壽命通?？梢蕴嵘?萬次左右。
P/E (Program/Erase Count) ：擦寫壽命。耐用性兩個(gè)指標(biāo)之一。
TBW (Total Bytes Written) ：總寫入量。是廠商用以界定質(zhì)保期的數(shù)值，即超過了這個(gè)數(shù)值的寫入量之后，廠商就不再給予質(zhì)保服務(wù)。耐用性兩個(gè)指標(biāo)之一。
FW (Firmware) ：由于eMMC內(nèi)部控制器屬于軟件編程控制器，會(huì)需要固件，eMMC在存儲(chǔ)廠家出廠前已經(jīng)燒錄對(duì)應(yīng)固件。
WA (Write amplification) ：寫放大。表示實(shí)際寫入的物理數(shù)據(jù)量是寫入數(shù)據(jù)量的多少倍，即：閃存寫入的數(shù)據(jù)量÷主控寫入的數(shù)據(jù)量 = 寫放大。
GC（Garbage Collection) ：垃圾回收。NAND介質(zhì)的存儲(chǔ)寫入是按照頁（Page）寫入，是按照塊（Block）擦除。
二、eMMC和NAND的差異
（1）eMMC與NAND對(duì)比
（2） eMMC的相關(guān)特點(diǎn)
·eMMC使用單獨(dú)的硬件控制器對(duì)存儲(chǔ)進(jìn)行管理，相比于Linux下NAND驅(qū)動(dòng)管理可靠性更高。
·內(nèi)部固件集成多種功能：使用壽命等健康信息記錄、根據(jù)不同的場(chǎng)景動(dòng)態(tài)調(diào)整內(nèi)部存儲(chǔ)策略。
·接口標(biāo)準(zhǔn)，各廠家各容量兼容性好。
·eMMC的存儲(chǔ)壽命普遍不如NAND壽命長(zhǎng)。相比于NAND大部分使用SLC或者M(jìn)LC，eMMC大部分是MLC或者TLC，eMMC相對(duì)于NAND單位壽命會(huì)低；但是由于eMMC的存儲(chǔ)容量一般較大，一定程度上抵消單位壽命低的劣勢(shì)。
（3）NAND的相關(guān)特點(diǎn)
·系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)主要是由SoC廠家及系統(tǒng)上游邏輯決定，針對(duì)不同的NAND存儲(chǔ)介質(zhì)無法發(fā)揮出最大優(yōu)勢(shì)，或者存在驅(qū)動(dòng)邏輯兼容性問題。
·NAND容易出現(xiàn)位翻轉(zhuǎn)、壞塊等情況，相比eMMC內(nèi)部管理，CPU管理需要占用較大系統(tǒng)開銷用來維護(hù)存儲(chǔ)內(nèi)容。
·接口標(biāo)準(zhǔn)采用ONFI接口協(xié)議，但是不同廠家的NAND的頁、OOB區(qū)及塊大小等配置存在差異，如果物料停產(chǎn)需要換型會(huì)存在鏡像不兼容風(fēng)險(xiǎn)。
·NAND的布局控制是由CPU管理，對(duì)應(yīng)的分區(qū)管理和邏輯定制會(huì)有很大的靈活性，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景制定不同的管理策略。
·NAND單位存儲(chǔ)壽命較長(zhǎng)。
綜上，產(chǎn)品存儲(chǔ)選型建議使用帶有管理功能的eMMC。
三、存儲(chǔ)使用建議
·eMMC：建議預(yù)留25%空間，避免頻繁觸發(fā)GC。
·由于存儲(chǔ)的最小寫入單元是Page，最小的擦除單元是Block。以16K page舉例，如果單次寫入小于 一個(gè)Page的數(shù)據(jù)，會(huì)造成寫放大。如果單次寫入數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Page的大小，寫放大會(huì)很嚴(yán)重。最終會(huì)導(dǎo)致壽命大大縮短。建議對(duì)小數(shù)據(jù)先通過DDR內(nèi)存進(jìn)行緩沖，緩沖一定數(shù)據(jù)再組合寫入。
·使用中如果出現(xiàn)異常斷電，定期需要對(duì)文件系統(tǒng)使用工具掃描修復(fù)，避免由于異常斷電數(shù)據(jù)未及時(shí) 保存導(dǎo)致文件系統(tǒng)異常。如果是頻繁異常掉電場(chǎng)景，可以增加硬件加掉電保護(hù)措施，用來保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。
·產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期，需要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的頻率，為保證產(chǎn)品壽命要求，評(píng)估選擇合適的存儲(chǔ)類型和容量。
四、飛凌嵌入式賦能
（1）針對(duì)eMMC，根據(jù)對(duì)壽命及健康信息讀取分析，讓應(yīng)用掌握更全面的存儲(chǔ)信息，并作出合理的調(diào)整。
應(yīng)用可以實(shí)時(shí)監(jiān)控當(dāng)前的存儲(chǔ)壽命，用來在設(shè)備存儲(chǔ)壽命降低到自定義閾值時(shí)發(fā)送報(bào)警信號(hào)做 特定處理。
應(yīng)用可以實(shí)時(shí)查看系統(tǒng)的健康信息，評(píng)估存儲(chǔ)的寫放大系數(shù)，用來評(píng)估應(yīng)用軟件升級(jí)對(duì)存儲(chǔ)帶 來的影響，進(jìn)而估算剩余壽命。
（2）針對(duì)NAND，根據(jù)增加手段統(tǒng)計(jì)實(shí)際NAND的擦寫、搬移、標(biāo)記等信息，給出應(yīng)用IO操作改善建議。
（3）針對(duì)所有類型存儲(chǔ)，根據(jù)對(duì)終端設(shè)備不同使用場(chǎng)景特點(diǎn)采集分析，評(píng)估出更適合場(chǎng)景的應(yīng)用編寫參考。
·終端實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景主要集中在：日志循環(huán)存儲(chǔ)、應(yīng)用關(guān)鍵數(shù)據(jù)參數(shù)存儲(chǔ)及緩沖數(shù)據(jù)。
·日志循環(huán)存儲(chǔ)特點(diǎn)：循環(huán)擦寫，寫入頻繁，讀取不頻繁。和文件系統(tǒng)同時(shí)存在，會(huì)出現(xiàn)寫頻繁 和只讀混放數(shù)據(jù)，會(huì)影響整體的穩(wěn)定性。舉例：大部分eMMC的損耗平衡特性是全盤范圍，軟件上的文件系統(tǒng)分區(qū)未實(shí)現(xiàn)想要的數(shù)據(jù)隔離效果，這個(gè)其實(shí)可以在初期評(píng)估階段解決。
·關(guān)鍵數(shù)據(jù)特點(diǎn)：小數(shù)據(jù)量狀態(tài)信息，比較重要，信息量不大。
·緩沖數(shù)據(jù)特點(diǎn)：順序?qū)懭?，整體擦除。
實(shí)際軟件開發(fā)過程中，根據(jù)如上數(shù)據(jù)特點(diǎn)，為保證產(chǎn)品穩(wěn)定性在如下3個(gè)階段給出優(yōu)化方案：
·產(chǎn)品開發(fā)前做對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)方案選型，能夠提前評(píng)估出風(fēng)險(xiǎn)。通過實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景產(chǎn)品的目標(biāo)壽命， 評(píng)估出存儲(chǔ)類型、文件系統(tǒng)類型、應(yīng)用數(shù)據(jù)讀寫建議及燒錄方式等。
·產(chǎn)品開發(fā)完成前做實(shí)際存儲(chǔ)的優(yōu)化。產(chǎn)品的樣機(jī)測(cè)試階段需要對(duì)系統(tǒng)實(shí)際讀寫頻次、大小做接 口數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)存儲(chǔ)做數(shù)據(jù)穩(wěn)定性分析（例：NAND存儲(chǔ)變位及壞塊分析）。通過分析給 出讀寫數(shù)據(jù)單元大小優(yōu)化建議、連續(xù)/隨機(jī)讀寫優(yōu)化建議。
·產(chǎn)品部署前做最終的預(yù)估壽命評(píng)估。結(jié)合最終優(yōu)化效果給出實(shí)際應(yīng)用中的一個(gè)壽命預(yù)估。
除上述優(yōu)化策略外，不同eMMC、NAND廠家在滿足接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)前提下提供了不同的優(yōu)化特性，部分優(yōu)化特性需要結(jié)合操作系統(tǒng)修改才能發(fā)揮出更好的效果。
五、總結(jié)
存儲(chǔ)穩(wěn)定性直接關(guān)乎到最終產(chǎn)品的穩(wěn)定性，本文圍繞eMMC和NAND的特性做了對(duì)比介紹，目的是幫助研發(fā)工程師在實(shí)際開發(fā)產(chǎn)品過程中更簡(jiǎn)單、更高效。
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