【EmbeddedLinuxPrimer翻译】第二章：你的第一次嵌入式体验（二）

• 2.3 存储考虑

嵌入式系统最大的挑战之一在于它所拥有的物理资源往往都很有限，尽管你桌上的奔4电脑上的硬盘容量已经高达180GB了（译者注，现在180GB的硬盘简直弱爆了^_^），可是在嵌入式系统上很少能达到这么大。嵌入式系统一般不用台式电脑上标配的硬盘，而是采用更小更廉价的存储设备，因为硬盘体积很大，使用过程盘片转动时不能有外力撞击，并且需要单独供电，相比之下这些都不符合嵌入式系统的要求。

• 2.3.1 闪存（Flash memory）

几乎所有人都对袖珍型闪存设备（Compact Flash modules）（注5）很熟悉，尤其以消费电子产品中用到的最多，比如数码相机和PDA等（这两种产品本身就是嵌入式设备）。Flash可以认为是固态硬盘，可以存储上百兆字节甚至GB的数据，内部部件不存在相对运动，相对于硬盘需要单独供电，flash则不需要。

• 注5：请参考www.compactflash.org.

目前世界上已经有好几家生产flash设备的厂商。Flash设备有个各种各样的物理封装和容量，一般1MB或2MB的Flash很少见，嵌入式系统上用到的大多是4MB到256MB的Flash，已经有越来越多的设备上用到了GByte容量的Flash。
Flash在软件控制下可以写入和擦除。虽然硬盘仍然是目前写入速度最快的介质，但是随着时间的推移，Flash的写入和擦出速度也已经有了相当的提高。毕竟两种存储介质存在基础性的差异，因此使用者必须能够理解并正确的使用它们。

Flash被分成一些相对大的可擦除单元，被称为“擦除块”。Flash的一个重要特征就是，数据以何种方式写入和擦除。在一个典型的flash芯片中，软件可以控制数据从二进制的1变成二进制的0，每次改变1个bit或1个word，但是如果把1个bit从二进制0写会到二进制1，即便只修改这一个bit的值，整个块也都要被擦除。之所以把flash的“块”称为“擦除块”，就是这个原因。

一个典型的flash设备包含很多擦除块，例如一个4MB的flash芯片可能包含64个擦除块，每个块占用64K字节。Flash还可以分成大小不均等的擦除块，以便灵活地规划数据的存储。这些通常被称为启动块或启动扇区。通常bootloader保存在小一点的块内，kernel和其他所需的数据则存储在大一些的块内。图2-3描述了一个典型的“顶部启动”flash（top boot flash）的各个块的大小排列。

图2-3 flash启动块架构

 

修改存储在一个flash存储阵列中的数据，被修改数据所在的flash块要整个被擦除。即使只需要改变一个字节，整个块也要被擦除重写（注6）。与传统的硬盘的扇区大小相比，flash的块大小相对较大，相比之下，典型的高性能硬盘的可写扇区大小一般只有512字节或1024字节，flash的这种差异所带来的结果很明显：更新flash中数据花费的时间要数倍于硬盘操作，部分原因是每次更新时都有比较大的数据量要写会闪存。在最坏的情况下，每个写周期要花费几秒钟的时间完成。

• 注6：请记住，如果是将flash上数据从1写成0，则一次只需修改一个字节即可（译者注，上面提到从1写成0每次写一个bit或一个word，这里说的是每次写一个byte，需要double check），但是反过来，如果是从0写回1，必须将数据所在的整个块都擦除。

Flash存储设备另一个限制是flash存储单元的写操作寿命，flash的存储单元的写入次数是有限的，达到上限后，flash将无法再执行写操作。尽快这个上限往往很大（每个flash块有100K次），但是仍然可以看出flash存储算法设计的多么脆弱（甚至可以认为是一个bug），以至于很容易损坏掉一枚flash。既然flash存在此缺陷，那么开发者在设计软件系统的时候，就尽可能避免将系统日志输出到flash设备上。

• 2.3.2 NAND flash

NAND flash是一项相对比较新的flash存储技术，当NAND flash投放市场之后，上文讲的所谓的传统的flash存储设备就被称为NOR flash，两者的区别在于flash内部的存储单元架构的差异。NAND flash对传统flash（NOR flash）的一些缺陷加以改进，比如提供更小的块大小，从而带来更快更高效的写入操作，并且使flash阵列的使用更有效。

NOR flash和微处理器的接口，与很多微处理器外设的接口多多少少有些相似，都有并行数据和地址总线，直连（注7）微处理器的数据/地址总线，flash阵列中的每个字节或字可以以随机的方式被单独寻址。而NAND flash通过一个复杂的接口进行串行访问，不同厂商的实现不同。NAND设备所提出的操作模式更类似于传统硬盘和相关控制器。数据以串行突发形式访问，比NOR flash的块小很多。NAND flash的写循环寿命比NOR flash高出一个数量级，虽然擦除时间要显著小很多。

• 注7：这个只是逻辑意义上的直连，实际物理电路中可能还有总线缓冲区或者桥片设备等。
• 2.3.3 Flash的使用

嵌入式系统设计人员对flash的布局和使用方面可以有很多选择，在最简单的系统中，如果系统资源没有过度限制，原始的二进制数据（可能被压缩过）可以存储在flash设备中。系统启动时，将flash中存储的系统image读到Linux虚拟内存盘（ramdisk）中，并将其挂载成文件系统，然后系统只需从RAM中读写数据即可。如果flash中的数据很少需要更新，或者相对于ramdisk的大小，升级的内容非常少，那么这种设计方案是非常好的一种选择。不过要注意一点的就是，ramdisk是易失设备，重启或者断电后，所有的修改都会丢失。

图2-4描述了一种通用的Flash存储组织方案，这种方案在简单的嵌入式系统中很常见，尤其是动态数据很少的非易失性存储方案中。

图2-4 flash存储布局范例

 

bootloader往往存放在flash存储阵列的顶部或底部，紧挨着bootloader，flash为Linux kernel和ramdisk文件系统image（注8）分配了空间用来容纳root文件系统。通常Linux kernel和ramdisk文件系统都是压缩之后存储的，在启动过程中bootloader负责将其解压。

• 注8：我们在第九章 文件系统中详细讨论ramdisk文件系统

为了将动态数据在系统重启或断电之前保存下来，flash专门划分出来一块小区域存储这部分数据，当然我们也可以选用其他非易失性存储器保存动态数据（注9），这种方案是嵌入式系统保存配置文件的一种典型设置，例如面向消费市场的无线接入点（WAP）设备。

• 注9：实时时钟模块包含有少量的非易失性可存储空间，或者EEPROM也可以保存少量的数据。