非易失性存儲器主導(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。

　　將閃存接口標準化一定會簡化系統(tǒng)設(shè)計人員的工作。開放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)定了芯片級外形尺寸，不過閃存可采用的外形尺寸相當多。
閃存的尺寸

　　小型串行閃存設(shè)備的外形尺寸差異相當大。有支持一級（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串行存儲器中執(zhí)行程序。

　　將程序保存在串行閃存中是相當常見的。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LPC1800一次讀取存儲器中的一個指令。

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

　　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）采用與可移動七引腳MMC外形尺寸相同的串行接口。對于開發(fā)人員來講，其優(yōu)勢在于他們可以對固定存儲器和移動存儲器使用同樣的接口。

　　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卡都采用相同類型的接口，只不過封裝更小。這些串行設(shè)備的傳輸速率為832Mbps。

　　移動閃存也采用USB、SATA和SAS接口。SAS往往只用于驅(qū)動器上，而SATA則用于具有磁盤驅(qū)動器外形尺寸的閃存驅(qū)動器以及像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，表明存儲容量越大。

　　板上SATA設(shè)備還包含mSATA和Slim SATA模塊等標準。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英寸的硬盤驅(qū)動器外形尺寸中。

　　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。雖然攝像機往往采用SD卡，不過仍有許多移動設(shè)備（比如數(shù)碼攝像機）使用微型閃存。

　　USB閃存驅(qū)動器已經(jīng)有效地替代了CD、DVD和軟盤。與現(xiàn)在的平均容量相比，首款USB 1.x閃存驅(qū)動器的存儲容量相當小。如今的高端平臺的規(guī)模相當大，并且采用USB 3.0總線標準。

　　容量和速度并不是隨著USB閃存驅(qū)動器的發(fā)展而變化的唯一指標。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安全密鑰帶一個內(nèi)置鍵盤，可用來輸入安全代碼，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上運行并使用主機輸入所有解碼密鑰的設(shè)備驅(qū)動器或者應(yīng)用程序。Aegis安全密鑰具有管理員和用戶密碼。這些功能可用來對加密和解密保存在閃存中的數(shù)據(jù)的密鑰進行解碼。

　　USB閃存驅(qū)動器一般用于便攜設(shè)備中，不過它們也廣泛地用在嵌入式設(shè)備中。許多母板都有一個內(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（請參見“Eurotech公司的Helios Edge控制器的實地操作評估”一文）。

　　USB頭在母板上也很常見。它們用于通過線纜和背板連接的額外外部USB接口，還可以用于USB存儲器中，比如Swissbit公司的USB存儲器（圖6）。Swissbit USB閃存模塊可插入大多數(shù)母板的標準九引腳USB頭中。母板上不一定總是使用安裝孔，但是當板可以用螺栓固定到母板上時，安裝孔確實可以提供穩(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，不過與DRAM一樣，僅使用閃存的解決方案沒有標準。

　　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，用于在斷電時保存DRAM的內(nèi)容。超級電容器足以執(zhí)行復(fù)制操作。

　　使用這些混合存儲器的難題在于軟件需要考慮非易失性。過去，具有磁芯存儲器的計算機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)省相當長的時間，對于嵌入式應(yīng)用來講非常方便。

　　現(xiàn)在，主要存儲器一般是DRAM。關(guān)斷系統(tǒng)后，這種存儲器中的內(nèi)容就會丟失，因此默認的恢復(fù)過程就會重啟系統(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)程序不會丟失。

　　大多數(shù)這類混合解決方案的目標應(yīng)用都是企業(yè)系統(tǒng)，不過由于它們采用標準DIMM插座，并且看起來像系統(tǒng)硬件的標準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，不過諸如USB和SATA等諸多接口都受限于無法充分利用閃存的速度。PCI Express是加快數(shù)據(jù)移動的一種方法。

　　非易失性內(nèi)存主機控制器接口（NVMHCI）工作組開發(fā)了NVM Express標準，并管理著該標準，該標準可以提供非易失性存儲器（在這里基本上是指閃存）的接口。

　　SCSI Express是另一個正在準備階段的標準，該標準可將閃存直接應(yīng)用到PCI Express接口中。這兩個標準的區(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準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)動程序。

　　串行ATA 組織的SATA Express標準是一個類似的標準，不過該標準可以提供SATA接口。與SCSI Express一樣，SATA Express可以同樣輕松地通過接口實現(xiàn)硬盤存儲器和閃存。

　　NVM Express和SCSI Express標準都用于企業(yè)。支持熱插拔的板和驅(qū)動標準融合在一起。隨著這些平臺的日益普及，它們可能會在嵌入式系統(tǒng)中找到用武之地。由于這些平臺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。

　　標準組織

　　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)會負責移動存儲器的SD卡系列。同樣，CompactFlash協(xié)會負責管理CompactFlash標準。T10則負責管理SCSI和SCSI Express標準。串行ATA組織負責管理SATA Express標準。