非易失性存儲(chǔ)器主導(dǎo)閃存發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)

　　在閃存中使用硬件控制器還可以讓設(shè)計(jì)人員在混合系統(tǒng)中增加安全和加密等其他功能。硬件加速也可以從這些功能中受益。

　　將閃存接口標(biāo)準(zhǔn)化一定會(huì)簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的工作。開(kāi)放NAND閃存接口（ONFI）工作組一直在致力于這方面的工作，他們于2011年發(fā)布了OFNI 3.0規(guī)范。該規(guī)范旨在提供400Mtransfers/s的傳輸速度和雙數(shù)據(jù)速率（DDR）傳輸。其切換模式2.0可選地采用差分信令。此外，OFNI還規(guī)定了芯片級(jí)外形尺寸，不過(guò)閃存可采用的外形尺寸相當(dāng)多。
閃存的尺寸

　　小型串行閃存設(shè)備的外形尺寸差異相當(dāng)大。有支持一級(jí)（1Wire）協(xié)議的三引腳設(shè)備以及支持I2C和SPI的各種設(shè)備。四SPI（QSPI） NVM設(shè)備可將傳輸?shù)奈粩?shù)增加四分之一，甚至還有微控制器，這類(lèi)設(shè)備可以直接從像恩智浦半導(dǎo)體（NXP）公司的LPC1800系列這樣的QSPI串行存儲(chǔ)器中執(zhí)行程序。

　　將程序保存在串行閃存中是相當(dāng)常見(jiàn)的。大多數(shù)PC都將其BIOS保存在串行閃存中。芯片引導(dǎo)裝載程序?qū)⒃摮绦驈?fù)制到執(zhí)行該程序的RAM中。NXP公司的LPC1800一次讀取存儲(chǔ)器中的一個(gè)指令。

　　串行存儲(chǔ)器是FRAM和MRAM等其他技術(shù)應(yīng)用的首個(gè)用武之地之一。串行存儲(chǔ)器一般包含溫度傳感器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）等其他子系統(tǒng)。有些RTC甚至利用串行存儲(chǔ)器保存時(shí)間戳信息。

　　具有JEDEC e-MMC（嵌入式多媒體卡）外形尺寸的芯片（比如San-Disk的iNAND）采用與可移動(dòng)七引腳MMC外形尺寸相同的串行接口。對(duì)于開(kāi)發(fā)人員來(lái)講，其優(yōu)勢(shì)在于他們可以對(duì)固定存儲(chǔ)器和移動(dòng)存儲(chǔ)器使用同樣的接口。

　　該七引腳MMC設(shè)備可插入與九引腳SD和九引腳SDIO設(shè)備相同的插槽中，因此I/O設(shè)備可以置于該卡上。SD與MMC具有相同的引腳分布，其外沿附近增加了兩個(gè)額外的引腳。MMC接口本質(zhì)上是SPI接口，SD為QSPI接口。11引腳miniSD卡和八引腳microSD卡都采用相同類(lèi)型的接口，只不過(guò)封裝更小。這些串行設(shè)備的傳輸速率為832Mbps。

　　移動(dòng)閃存也采用USB、SATA和SAS接口。SAS往往只用于驅(qū)動(dòng)器上，而SATA則用于具有磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器外形尺寸的閃存驅(qū)動(dòng)器以及像Viking Technology公司的SATA Cube 3這樣的嵌入式設(shè)備中。SATA Cube 3是一堆帶閃存和控制器的電路板。電路板越多，表明存儲(chǔ)容量越大。

　　板上SATA設(shè)備還包含mSATA和Slim SATA模塊等標(biāo)準(zhǔn)。相比與SD卡等介質(zhì)配合使用的SPI/QSPI 接口，SATA接口可以提供高相當(dāng)多的吞吐能力。大型SATA閃存一般用于1.8、2.5和3.5英寸的硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器外形尺寸中。

　　基于IDE的微型閃存仍是許多嵌入式母板上的常見(jiàn)功能部件。隨著微控制器從IDE和PCI轉(zhuǎn)換到SATA和PCI Express，這種情況正在發(fā)生變化。雖然攝像機(jī)往往采用SD卡，不過(guò)仍有許多移動(dòng)設(shè)備（比如數(shù)碼攝像機(jī)）使用微型閃存。

　　USB閃存驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)有效地替代了CD、DVD和軟盤(pán)。與現(xiàn)在的平均容量相比，首款USB 1.x閃存驅(qū)動(dòng)器的存儲(chǔ)容量相當(dāng)小。如今的高端平臺(tái)的規(guī)模相當(dāng)大，并且采用USB 3.0總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。

　　容量和速度并不是隨著USB閃存驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展而變化的唯一指標(biāo)。增加的功能（特別是安全領(lǐng)域中）更為普遍。比如，Apricorn公司的Aegis安全密鑰帶一個(gè)內(nèi)置鍵盤(pán)，可用來(lái)輸入安全代碼，阻止按鍵記錄病毒捕獲代碼。它可以用在任何操作系統(tǒng)上。

　　大多數(shù)與安全相關(guān)的其他解決方案都采用在主機(jī)上運(yùn)行并使用主機(jī)輸入所有解碼密鑰的設(shè)備驅(qū)動(dòng)器或者應(yīng)用程序。Aegis安全密鑰具有管理員和用戶(hù)密碼。這些功能可用來(lái)對(duì)加密和解密保存在閃存中的數(shù)據(jù)的密鑰進(jìn)行解碼。

　　USB閃存驅(qū)動(dòng)器一般用于便攜設(shè)備中，不過(guò)它們也廣泛地用在嵌入式設(shè)備中。許多母板都有一個(gè)內(nèi)部A型連接器。大多數(shù)母板只有背板上有A型連接器。有些設(shè)備（像Eurotech公司的Helios Edge控制器）僅有用于閃存的USB接口和外設(shè)接口（請(qǐng)參見(jiàn)“Eurotech公司的Helios Edge控制器的實(shí)地操作評(píng)估”一文）。

　　USB頭在母板上也很常見(jiàn)。它們用于通過(guò)線(xiàn)纜和背板連接的額外外部USB接口，還可以用于USB存儲(chǔ)器中，比如Swissbit公司的USB存儲(chǔ)器（圖6）。Swissbit USB閃存模塊可插入大多數(shù)母板的標(biāo)準(zhǔn)九引腳USB頭中。母板上不一定總是使用安裝孔，但是當(dāng)板可以用螺栓固定到母板上時(shí)，安裝孔確實(shí)可以提供穩(wěn)固的解決方案。

　　像mSATA和Swissbit公司的USB閃存模塊這樣的模塊并不是基于板的唯一閃存方案。閃存還可用于雙列直插內(nèi)存模塊（DIMM）和小外形DIMM （SODIMM）外形尺寸，不過(guò)與DRAM一樣，僅使用閃存的解決方案沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)。

　　另一方面，有些方案（比如Viking Technology公司的ArxCis-NV）將DRAM與閃存整合在一起。閃存作為備份，用于在斷電時(shí)保存DRAM的內(nèi)容。超級(jí)電容器足以執(zhí)行復(fù)制操作。

　　使用這些混合存儲(chǔ)器的難題在于軟件需要考慮非易失性。過(guò)去，具有磁芯存儲(chǔ)器的計(jì)算機(jī)可以在不重裝操作系統(tǒng)或應(yīng)用程序的情況下關(guān)斷和導(dǎo)通。這可以節(jié)省相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，對(duì)于嵌入式應(yīng)用來(lái)講非常方便。

　　現(xiàn)在，主要存儲(chǔ)器一般是DRAM。關(guān)斷系統(tǒng)后，這種存儲(chǔ)器中的內(nèi)容就會(huì)丟失，因此默認(rèn)的恢復(fù)過(guò)程就會(huì)重啟系統(tǒng)。與這些已經(jīng)保存了DRAM先前內(nèi)容的非易失性解決方案不同的是，保存在閃存中的引導(dǎo)程序不會(huì)丟失。

　　大多數(shù)這類(lèi)混合解決方案的目標(biāo)應(yīng)用都是企業(yè)系統(tǒng)，不過(guò)由于它們采用標(biāo)準(zhǔn)DIMM插座，并且看起來(lái)像系統(tǒng)硬件的標(biāo)準(zhǔn)DDR2或DDR3 DRAM，因此這些混合方案可以輕松地整合到嵌入式應(yīng)用中。

　　曇花一現(xiàn)的PCI Express

　　帶寬是閃存可以使用的，不過(guò)諸如USB和SATA等諸多接口都受限于無(wú)法充分利用閃存的速度。PCI Express是加快數(shù)據(jù)移動(dòng)的一種方法。

　　非易失性?xún)?nèi)存主機(jī)控制器接口（NVMHCI）工作組開(kāi)發(fā)了NVM Express標(biāo)準(zhǔn)，并管理著該標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)可以提供非易失性存儲(chǔ)器（在這里基本上是指閃存）的接口。

　　SCSI Express是另一個(gè)正在準(zhǔn)備階段的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)可將閃存直接應(yīng)用到PCI Express接口中。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)別在于接口是SCSI適配器。SAS采用SCSI命令集，因此它可以有效地定義標(biāo)準(zhǔn)SAS接口。而傳統(tǒng)的SAS控制器需要其各自的供應(yīng)商提供的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

　　串行ATA 組織的SATA Express標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)類(lèi)似的標(biāo)準(zhǔn)，不過(guò)該標(biāo)準(zhǔn)可以提供SATA接口。與SCSI Express一樣，SATA Express可以同樣輕松地通過(guò)接口實(shí)現(xiàn)硬盤(pán)存儲(chǔ)器和閃存。

　　NVM Express和SCSI Express標(biāo)準(zhǔn)都用于企業(yè)。支持熱插拔的板和驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)融合在一起。隨著這些平臺(tái)的日益普及，它們可能會(huì)在嵌入式系統(tǒng)中找到用武之地。由于這些平臺(tái)可以提供位于處理和網(wǎng)絡(luò)硬件所在的板上的高速解決方案，因此它們適合用于嵌入式應(yīng)用。

　　標(biāo)準(zhǔn)組織

　　上文已經(jīng)提到了大多數(shù)與閃存相關(guān)的重要組織，比如JEDEC、ONFI工作組和NVMHCI工作組。SD協(xié)會(huì)負(fù)責(zé)移動(dòng)存儲(chǔ)器的SD卡系列。同樣，CompactFlash協(xié)會(huì)負(fù)責(zé)管理CompactFlash標(biāo)準(zhǔn)。T10則負(fù)責(zé)管理SCSI和SCSI Express標(biāo)準(zhǔn)。串行ATA組織負(fù)責(zé)管理SATA Express標(biāo)準(zhǔn)。