為嵌入式應(yīng)用選擇、實(shí)現(xiàn)NAND閃存海量存儲

標(biāo)簽：NAND  POS

在嵌入式應(yīng)用中，海量存儲密度正在以前所未有的速度增長。像便攜式媒體播放器、蜂窩電話、數(shù)碼相機(jī)、便攜式導(dǎo)航設(shè)備、無線網(wǎng)卡、閃盤這樣的消費(fèi)產(chǎn)品由于需要處理越來越多的多媒體內(nèi)容而要求更高的海量存儲密度。

NAND閃存已經(jīng)成為消費(fèi)類應(yīng)用中用作海量存儲的主要選擇，因?yàn)樗啾萅OR閃存而言具有單位比特成本更低、存儲密度更高的優(yōu)勢，并且具有比硬盤更小的尺寸、更低的功耗以及更可靠的優(yōu)勢。

因?yàn)镹AND閃存在消費(fèi)市場上的需求量很高，因而存儲成本下降得很快，像POS(銷售點(diǎn))終端、打印機(jī)以及其他應(yīng)用可以用NAND存儲器以更低的成本達(dá)到更高的密度。

然而，由于這些嵌入式應(yīng)用對更高NAND閃存密度的要求在不斷提高，設(shè)計(jì)師需要從各種NAND閃存類型、密度、供應(yīng)商以及發(fā)展路線圖和實(shí)現(xiàn)方式中作出合理選擇。

使用NAND閃存的第一個也是最重要的選擇標(biāo)準(zhǔn)是NAND控制器的實(shí)現(xiàn)。所有的NAND閃存器件都需要位于軟件中的維護(hù)開銷和作為硬件的外部控制器以確保數(shù)據(jù)可靠，使NAND閃存器件的壽命最大，并提高性能。NAND控制器的三個主要功能是壞塊管理、損耗均衡以及糾錯編碼(ECC)。

NAND閃存以簇的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，即所謂的塊。大多數(shù)NAND閃存器件在制造測試時就會發(fā)現(xiàn)有一些壞塊，這些壞塊在供應(yīng)商的器件規(guī)格說明中是有標(biāo)記的。

此外，好的塊也可能會在NAND生命周期內(nèi)降低性能，因此必須通過軟件進(jìn)行跟蹤，并進(jìn)行壞塊管理。此外，對特定的塊進(jìn)行不斷的讀寫操作可能導(dǎo)致該塊很快“磨損”而變成壞塊。為了確保NAND器件最長的壽命，限制磨損塊的數(shù)量，需要利用損耗均衡技術(shù)讓所有的塊讀寫次數(shù)均衡。

最后，由于某個單元的休止或操作可能產(chǎn)生誤碼，因此必須以軟件或硬件方式實(shí)現(xiàn)ECC來發(fā)現(xiàn)并糾正這些誤碼。ECC通常被業(yè)界定義為每528字節(jié)扇區(qū)中能糾正的代碼比特?cái)?shù)。在一個系統(tǒng)中，這種NAND控制器可以按照圖1所示的三種不同配置方式與NAND進(jìn)行組合。

除了從圖1所示的三種NAND解決方案中作出選擇外，設(shè)計(jì)師還必須在兩種NAND閃存器件-SLC NAND和MLC NAND中作出選擇，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。

SLC NAND的每個塊都具有更長的使用壽命和可靠性，因此需要較少的ECC，并能提供優(yōu)異的性能。MLC NAND性能則較低，而且難以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗枰叩燃壍膲膲K管理、損耗均衡和ECC。

然而就單比特的價格來說，它大約只有SLC NAND的1/3。由于SLC和MLC NAND之間成本差距越來越大，大多數(shù)應(yīng)用開始轉(zhuǎn)向MLC NAND，特別是較高密度的應(yīng)用，這樣可以大大地降低材料成本。

圖1中的三選一需要考慮多種因素，包括微處理器對NAND控制器的支持、所采用的NAND類型(SLC或MLC)以及平臺所要求的NAND密度。

圖1：NAND架構(gòu)選擇

如果平臺中使用了帶完整NAND接口和控制器的微處理器，設(shè)計(jì)師通常傾向于第一種選擇。大多數(shù)當(dāng)代的微處理器即使支持NAND的話，通常也只支持較低密度的SLC NAND存儲器。

工藝技術(shù)限制了SLC或MLC NAND裸片上能夠?qū)崿F(xiàn)的存儲量，而當(dāng)前每個裸片能支持的密度大約為1GB。因此為了支持更高密度的NAND，控制器必須支持多個NAND。

通常這需要通過使用交織處理和多個芯片使能管腳實(shí)現(xiàn)。而增加多個芯片使能腳以支持多個NAND將使微處理器的引腳數(shù)量增多，因此在微處理器中包含該類型的NAND控制器不是十分流行。

而且MLC NAND接口在微處理器上很難看到，這有幾方面的原因。隨著MLC NAND工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)的持續(xù)縮小，支持這種NAND存儲器所需的ECC等級變得越來越高。

目前MLC NAND所需的ECC等級為4比特，但是很快就會提高到8比特和12比特。更多數(shù)量的ECC需要NAND控制器中的硬件支持。然而，微處理器的發(fā)展步伐比快速發(fā)展的MLC NAND遲緩得多。

對很多不同的嵌入式和可插拔式存儲器而言，“受控NAND”方法(選項(xiàng)2)非常有用。所有的便攜式SD/MMC卡都是這種實(shí)現(xiàn)方法，而市場上的嵌入式受控NAND也有幾種選擇。這種方法有其優(yōu)勢，因?yàn)槲⑻幚砥髦恍枰С忠环NSD/MMC類型接口就能使系統(tǒng)支持SLC或MLC NAND。

控制器是與NAND存儲器堆疊在一起的，負(fù)責(zé)處理所有的壞塊管理、損耗均衡以及NAND所需的ECC。目前受控的NAND實(shí)現(xiàn)密度在嵌入式應(yīng)用中大約為4GB，在移動卡中為8GB。

這種方法的缺點(diǎn)是不同的供應(yīng)商在他們的各種受控NAND上支持不同的接口(有的供應(yīng)商可能使用SD、有的供應(yīng)商可能使用MMC，也有供應(yīng)商可能使用專用接口)，因此更換NAND供應(yīng)商的時候需要對軟件作大量修改

選項(xiàng)3讓設(shè)計(jì)師在選擇NAND類型以及選擇不同供應(yīng)商時具有最大的自由度。幾乎所有的NAND控制器都支持不同類型、不同供應(yīng)商和不同密度的NAND，而且由于NAND控制器總是使用相同的接口連接處理器，因此設(shè)計(jì)師可以自由選擇不同的NAND類型和供應(yīng)商，而不需要修改軟件。

圖2所示的框圖提供了使用具有完整SLC和MLC NAND管理功能的多媒體海量存儲控制器的西橋(West Bridge)實(shí)現(xiàn)方式。

圖2：利用Cypress公司的Astoria器件實(shí)現(xiàn)西橋的方法

使用一個“與電腦設(shè)計(jì)中用到的南橋相似特性和目標(biāo)”的西橋接口可以支持多個處理器接口，例如SRAM、ADMUX、SPI和NAND，并支持來自任何供應(yīng)商、ECC為4比特的多達(dá)16個SLC或MLC NAND器件。

設(shè)計(jì)師因此能夠靈活地在密度方面作出選擇，并能隨時改變NAND供應(yīng)商，只需很少甚至不用修改微處理器上運(yùn)行的軟件。使用一個外部NAND控制器還具有其他好處。

例如，支持高速USB接口的西橋可以將主處理器旁路掉，并在便攜式媒體播放器或手機(jī)等應(yīng)用中提供從PC到海量存儲器的直接路徑，從而實(shí)現(xiàn)最佳的側(cè)邊加載性能。如果系統(tǒng)微處理器僅限于SDIO接口的話， 對SD、MMC和SDIO接口的支持還能夠幫助設(shè)計(jì)師連接SDIO類型的器件，例如WiFi或藍(lán)牙。

當(dāng)考慮系統(tǒng)的NAND預(yù)算的各種要求(比如密度、成本、尺寸和靈活性)時，設(shè)計(jì)師有好幾種NAND實(shí)現(xiàn)選項(xiàng)，它們各有優(yōu)劣。如果系統(tǒng)微處理器有內(nèi)置的SLC或MLC控制器，就不需要外部器件或邏輯。

否則受控NAND方法也不錯，因?yàn)樗蒒AND供應(yīng)商執(zhí)行封裝，同樣不需要外部邏輯或芯片。然而，為了獲得最大的靈活性，開發(fā)商可以利用外部NAND控制器來支持所有的NAND類型和偏好。這種方法還能提供性能和接口等方面的其他好處，但是需要外部芯片。