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1 Flash類型與技術特點 Flash主要分為NOR和NAND兩類。下面對二者作較為詳細的比較。 1.1 性能比較 Flash閃存是非易失存儲器,可以對存儲器單元塊進行擦寫和再編程。任何Flash器件進行寫入操作前必須先執(zhí)行擦除。NAND器件執(zhí)行擦除操作十分簡單;而NOR則要求在進行擦除前,先要將目標塊內所有的位都寫為0。擦除NOR器件時是以 64～128KB的塊進行的,執(zhí)行一個寫入/擦除操作的時間為1～5s;擦除NAND器件是以8～32KB的塊進行的,執(zhí)行相同的操作最多只需要4ms。執(zhí)行擦除時,塊尺寸的不同近一步拉大了NOR和NADN之間的性能差距。統(tǒng)計表明,對于給定的一套寫入操作（尤其是更新小文件時）,更多的擦除操作必須在基于NOR的單元中進行。因此,當選擇存儲解決方案時,設計師必須權衡以下的各項因素。 *NOR的讀取速度比NAND稍快一些。 *NAND的寫入速度比NOR快很多。 *NAND的擦除速度遠比NOR快。 *大多數(shù)寫入操作需要先進行擦除操作。 *NAND的擦除單元更小,相應的擦除電路更少。 1.2 接口差別 NOR Flash帶有SRAM接口,有足夠的地址引腳來尋址,可以很容易地存取其內容的每一字節(jié)。 NAND器件使用復雜的I/O口來串行地存取數(shù)據(jù),各個產品或廠商的方法可能各不相同。8個引腳用來傳送控制、地址和數(shù)據(jù)信息。NAND的讀和寫操作采用512字節(jié)的塊,這一點有點像硬盤管理此類操作。很自然地,基于NAND的存儲器就可以取代硬盤或其它塊設備。 1.3 容量和成本 NAND Flash的單元尺寸幾乎是NOR器件的一半。由于生產過程更為簡單,NAND結構可以在給定的模具尺寸內提供更高的容量,也就相應地降低了價格。 NOR Flash占據(jù)了大部分容量為1～16MB的內存市場,而NAND Flash只是用在8～128MB的產品當中。 1.4 可靠性和耐用性 采用Flash介質時,一個需要重點考慮的問題是可靠性。對于需要擴展MTBF的系統(tǒng)來說,Flash是非常合適的存儲方案。可以從壽命（耐用性）、位交換和壞塊處理三個方面來比較NOR和NAND的可靠性。 （1）壽命（耐用性） 在 NAND閃存中,每個塊的最大擦寫次數(shù)是100萬次,而NOR的擦寫次數(shù)是10萬次。NAND存儲器除了具有10：1的塊擦除周期優(yōu)勢外,典型的NAND 塊尺寸要比NOR器件小8位,每個NAND存儲器塊在給定時間閃的刪除次數(shù)要少一些。 （2）位交換 所有 Flash器件都受位交換現(xiàn)象的困擾。在某些情況下（很少見,NAND發(fā)生的次數(shù)要比NOR多）,一個比特位會發(fā)生反轉或被報告反轉了。 一位的變化可能不很明顯,但是如果發(fā)生在一個關鍵文件上,這個小小的故障就可能導致系統(tǒng)停機。如果只是報告有問題,多讀幾次就可能解決。 位反轉的問題更多見于NAND閃存,NAND的供應商建議使用NAND閃存的時候,同時使用EDC/ECC算法。當然,如果用本地存儲設備來存儲操作系統(tǒng)、配置文件或其它敏感信息時,必須使用EDC/ECC系統(tǒng)以確保可靠性。 （3）壞塊處理 NAND器件中的不壞塊是隨機分布的。以前做過消除壞塊的努力,但發(fā)現(xiàn)成品率太低,代價太高,根本不劃算。NAND器件需要對介質進行初始化掃描以發(fā)現(xiàn)壞塊,并將壞塊標記為不可用。在已制成的器件中,如果通過可靠的方法不能進行這項處理。將導致高故障率。 1.5 易用性 可以非常直接地使用基于NOR的閃存,像其它存儲器那樣連接,并可以在上面直接運行代碼。由于需要I/O接口,NAND要復雜得多。各種NAND器件的存取方法因廠家而異。在使用NAND器件時,必須先寫入驅動程序,才能繼續(xù)執(zhí)行其它操作。向NAND器件寫入信息需要相當?shù)募记?因為設計師絕不能向壞塊寫入,這就意味著在NAND器件上自始至終都必須進行虛擬映射。 1.6 軟件支持 在NOR器件上運行代碼不需要任何的軟件支持。在NAND器件上進行同樣操作時,通常需要驅動程序,也就是閃存技術驅動程序（MTD）。NAND和NOR器件在進行寫入和擦除操作時都需要MTD。使用 NOR器件時,所需要的MTD要相對少一些。許多廠商都提供用于NOR器件的更高級的軟件,其中包括M-System的TrueFFS驅動,該驅動被 Wind River System、Microsoft、QNX Sotrware System、Symbian和Intel等廠商所采用。驅動還用于對DiskOnChip產品進行仿零點和NAND閃存的管理,包括糾錯、壞塊處理和損耗平衡。 目前,NOR Flash的容量從幾KB～64MB不等,NAND Flash存儲芯片的容量從8MB～128MB,而DiskonChip可以達到1024MB。 2 系統(tǒng)設計 Flash在每MB的存儲開銷上較RAM要昂貴,但對于uClinux系統(tǒng)來說,選擇Flash作為存儲器具有一定的優(yōu)勢。UClinux系統(tǒng)在上電后,需要運行的程序代碼和數(shù)據(jù)都可以存儲在Flash中,甚至放在CPU起始地址中的uClinux啟動內核都可以寫入Flash中。從一定意義上講,嵌入式系統(tǒng)只用Flash就可以完成所需的存儲功能。 Flash存儲器的分區(qū)較硬盤的分區(qū)更為簡單,分區(qū)后的Flash使用起來更加方便。典型的Flash分區(qū)如下。 SEGMENT PURPOSE 0 Bootloader 1 factory configuration 2 ┆ kernel X ┆ root filesystem Y 分區(qū)0放置Bootloader,分區(qū)1放置factory configuration,分區(qū)2到分區(qū)X放置系統(tǒng)內核,分區(qū)X到分區(qū)Y放置根文件系統(tǒng)。Flash的分區(qū)可以根據(jù)需要劃分,uClinux中支持 Flash存儲器的塊設備驅動負責定義上述的分區(qū)。 和PC機下的Linux不同,Flash的分區(qū)把系統(tǒng)內核文件和根文件系統(tǒng)單獨劃分到兩個分區(qū)中,而PC機的硬盤是把內核文件和根文件系統(tǒng)放在一個分區(qū)內。PC機下Linux的Bootloader是LILO或GRUB。它們在系統(tǒng)啟動時能智能地在分區(qū)中找到內核文件塊,并把它加載到RAM中運行。對于Flash而言,把內核的鏡像文件寫進一個單獨的分區(qū)對嵌入式系統(tǒng)有兩大優(yōu)點：①系統(tǒng)可以直接在Flash上運行;②LILO或GRUB更易找到內核代碼并加載,甚至可以不用LILO或GRUB引導而直接運行。 內核文件和根文件系統(tǒng)在Flash中的放置,可以根據(jù)系統(tǒng)設計需要適當選擇。 3 引導程序選擇 系統(tǒng)啟動之前的引導過程是CPU初始化的過程。包括ARM和X86在內的許多CPU是從固定地址單元開始運行引導程序（Bootloader）的。其它的部分 CPU是從某個地址單元讀入引導程序的入口地址,然后再運行引導程序,譬如M68K和Coldfire系列。所以這些都影響到Flash中系統(tǒng)啟動代碼的存放地址。 系統(tǒng)首先要考慮的是在什么地址存放Bootloader,或者說系統(tǒng)從哪個地址單元開始加載運行系統(tǒng)內核代碼。 CPU啟動后直接運行系統(tǒng)內核是可以實現(xiàn)的。對于uClinux來說,啟動代碼必須包括芯片的初始化和RAM的初始化等硬件配置;同時加載內核的代碼段到RAM中,并清除初始化的數(shù)據(jù)段內容。盡管這些實現(xiàn)起來很直觀,但是要具體把啟動代碼存放在Flash中正確的地址偏移單元內,使CPU一啟動便能執(zhí)行就比較困難了。不過,現(xiàn)在技術比較先進的CPU都將默認的偏移地址設置為0,或者在偏移地址為0的附近存放起始地址。 Bootloader 是一段單獨的代碼,用以負責基本硬件的初始化過程,并且加載和運行uClinux的內核代碼。作為系統(tǒng)啟動工具,Bootloader經(jīng)過配置可以加載 Flash中的多個內核,甚至可以通過串口和網(wǎng)口來加載內核和系統(tǒng)的鏡像到RAM中運行。Bootloader同時也提供對內核鏡像文件的多級別保護,這一點對于以Flash作為存儲設備的系統(tǒng)來說非常重要。譬如,當系統(tǒng)進行內核升級和重要數(shù)據(jù)備份時,系統(tǒng)突然掉電,正如PC機進行BIOS刷寫過程中的舊電一樣,都是災難性的。但是利用Bootloader就可以實現(xiàn)保護性的恢復。 目前運行在uClinux上的免費 Bootloader有COLILO、MRB、PPCBOOT和DBUG。也有為特殊需求設計的SNAPGEAR和ARCTURUS NETWORKS。 4 uClinux的塊驅動器 對于嵌入式系統(tǒng)的塊設備,可選擇存儲文件系統(tǒng)的塊驅動器（Block Driver）主要有三種選擇。 ①Blkmem driver。Blkmem driver仍是uClinux上使用最普通的Flash驅動器。它是為uClinux而設計的,但是它的結構相對比較簡單,并且僅支持NOR Flash的操作,需要在RAM中建立根文件系統(tǒng)。同時它也很難配置,需要代碼修改表來建立Flash分區(qū)。盡管如此,它還是提供了最基本的分區(qū)擦/寫操作。 ②MTD driver。MTD driver是Linux下標準的Flash驅動器。它支持大多數(shù)Flash存儲設備,兼有功能強大的分區(qū)定義和映像工具。借用交叉存取技術（interleaving）,MTD driver甚至可支持同一系統(tǒng)中不同類型的Flash,Linux內核中關于MTD driver配置有較為詳細的選擇項。 ③RAM disk driver。在無盤啟動的標準Linux中,用得最多的就是RAM disk driver;但它不支持底層的Flash存儲器,僅對根文件系統(tǒng)的建立有意義,即根文件系統(tǒng)壓縮以后存放在Flash的什么地方。 通過上面的比較可以看到,MTD driver提供對Flash最有力的支持同,同時它也支持在Flash上直接運行文件系統(tǒng),譬如JFFS和JFFS2,而B1kmem driver則不支持。 5 根文件系統(tǒng) uClinux中的文件系統(tǒng)可以有多種選擇。通常情況下,ROMfs是使用最多的文件系統(tǒng),它是一種簡單、緊湊和只讀的文件系統(tǒng)。ROMfs順序存儲文件數(shù)據(jù),并可以在uClinux支持的存儲設備上直接運行文件系統(tǒng),這樣可以在系統(tǒng)運行時節(jié)省許多RAM空間。 Cramfs是針對Linux內核2.4之后的版本所設計的一種新型文件系統(tǒng),也是壓縮和只讀格式的。它主要的優(yōu)點是將文件數(shù)據(jù)以壓縮形式存儲,在需要運行的時候進行解壓縮。由于它存儲的文件形式是壓縮的格式,所以文件系統(tǒng)不能直接在Flash上運行。雖然這樣可以節(jié)約很多Flash存儲空間,但是文件系統(tǒng)運行需要將大量的數(shù)據(jù)拷貝進RAM中,消耗了RAM空間。 考慮到多數(shù)系統(tǒng)需要能夠讀/寫的文件系統(tǒng),可以使用MTD driver的JFFS和JFFS2日志式文件在Flash頭部建立根文件系統(tǒng)（Root Filesystem）。日志式文件系統(tǒng)可以免受系統(tǒng)突然掉電的危險,并且在下一次系統(tǒng)引導時不需要文件系統(tǒng)的檢查。由于JFFS和JFFS2文件格式是特別為Flash存儲器設計的,二者都具一種稱為“損耗平衡”的特點,也就是說Flash的所有被擦寫的單元都保持相同的擦寫次數(shù)。利用這些特有保護措施,Flash的使用周期得到相當大的提升。JFFS2使用壓縮的文件格式,為Flash節(jié)省了大量的存儲空間,它更優(yōu)于JFFS格式在系統(tǒng)中使用。值得注意的是,使用JFFS2格式可能帶來少量的Flash空間的浪費,這主要是由于日志文件的過度開銷和用于回收系統(tǒng)的無用存儲單元,浪費的空間大小約是兩個數(shù)據(jù)段。 如果使用RAM disk,一般應選擇EXT2文件格式,但EXT2并不是一塊特別高效的文件存儲空間。由于存在RAM disk上,所以任何改變在下一次啟動后都會丟失。當然,也有許多人認為對嵌入式存儲空間來講,這是一種優(yōu)勢,因為每次系統(tǒng)啟動都是從已知的文件系統(tǒng)狀態(tài)開始的。 雖然在Linux下有許多的文件格式可供選擇,但是對于uClinux一般只選擇上述的幾種文件格式。另外一點就是如何在目標系統(tǒng)上建立根文件系統(tǒng),步驟如下：首先在開發(fā)宿主機上建立一個目標機的根文件系統(tǒng)的目錄樹,然后利用嵌入式根文件系統(tǒng)生成工具在宿主機上生成目錄樹的二進制文件鏡像,最后下載到目標機上就可以了。對于不同的文件格式有不同的二進制鏡像生成工具,譬如JFFS的mkfs.jffs2、ISO9660的 mkisofs。 參考文獻 1. 多種新興存儲器技術的比較和選擇策略 2. Alessandro Rubini Linux 設備驅動程序 2000 3. Bovet Daniel P.Marco Cesati 深入理解Linux內核 2001 作 者：武漢理工大學 馮欣 秦娟英 來 源：單片機與嵌入式系統(tǒng)應用 2004（2） |
