Nand-Flash/eMMC（帶有Flash控製器的Nand-Flash）作為一種非線性宏單元模式存儲器，為固態大容量存儲的實現提供了廉價有效的解決方案。Nand-Flash存儲器具有容量大，改寫速度快等優點
，適用於大量數據的存儲，因而越來越廣泛地應用在如嵌入式產品
、智能手機、雲端存儲資料庫等業界各領域。

 

 

 

圖1 Nand-Flash與eMMC芯片

 

 

使用了Nand-Flash的(de)主(zhu)板(ban)出(chu)現(xian)丟(diu)數(shu)據(ju)掉(diao)程(cheng)序(xu)現(xian)象(xiang)，是(shi)一(yi)個(ge)讓(rang)無(wu)數(shu)工(gong)程(cheng)師(shi)毛(mao)骨(gu)悚(song)然(ran)的(de)事(shi)故(gu)。眼(yan)看(kan)著(zhe)程(cheng)序(xu)用(yong)著(zhe)用(yong)著(zhe)就(jiu)消(xiao)失(shi)了(le)，隻(zhi)能(neng)幹(gan)著(zhe)急(ji)也(ye)無(wu)法(fa)下(xia)手(shou)。有(you)經(jing)驗(yan)的(de)工(gong)程(cheng)師(shi)手(shou)起(qi)刀(dao)落(luo)換(huan)上(shang)一(yi)顆(ke)新(xin)物(wu)料(liao)
，熬(ao)夜(ye)補(bu)代(dai)碼(ma)繼(ji)續(xu)撐(cheng)過(guo)半(ban)個(ge)項(xiang)目(mu)周(zhou)期(qi)。回(hui)頭(tou)無(wu)處(chu)發(fa)泄(xie)還(hai)要(yao)大(da)刀(dao)闊(kuo)斧(fu)換(huan)廠(chang)商(shang)
、換品牌。與其換幾片Nand-Flash還能負擔得起
，但畢竟這是一個無底洞
，不如去深入探明問題原因
，不然散盡家財也無法彌補虧空。

 

器件數據手冊中通常描述Nand-Flash的塊擦寫壽命達10萬次，EMMC的塊擦寫最高也會有1萬次；同理，EEPROM、SD卡、CF卡、U盤、Flash硬ying盤pan等deng存cun儲chu介jie質zhi在zai都dou存cun在zai寫xie壽shou命ming的de問wen題ti。在zai文wen件jian係xi統tong向xiang寫xie數shu據ju的de底di層ceng存cun儲chu器qi塊kuai寫xie數shu據ju時shi，常chang規gui會hui先xian將jiang塊kuai裏li的de數shu據ju讀du出chu來lai，擦ca除chu塊kuai幹gan淨jing後hou
，將jiang需xu要yao寫xie入ru的de數shu據ju和he之zhi前qian讀du出chu來lai的de塊kuai數shu據ju一yi起qi在zai回hui寫xie到dao存cun儲chu器qi裏li麵mian去qu
，如ru果guo文wen件jian係xi統tong寫xie平ping衡heng沒mei有you處chu理li好hao，特te別bie是shi要yao求qiu1分鍾以內要記錄一次數據這樣頻繁的擦寫塊操作，就有可能將Nand-Flash或EMMC的塊寫壞。

 

 

文(wen)件(jian)係(xi)統(tong)向(xiang)存(cun)儲(chu)器(qi)寫(xie)數(shu)據(ju)時(shi)，常(chang)規(gui)是(shi)先(xian)將(jiang)塊(kuai)裏(li)的(de)數(shu)據(ju)讀(du)出(chu)來(lai)
，擦(ca)除(chu)塊(kuai)幹(gan)淨(jing)後(hou)，將(jiang)需(xu)要(yao)寫(xie)入(ru)的(de)數(shu)據(ju)和(he)之(zhi)前(qian)讀(du)出(chu)來(lai)的(de)塊(kuai)數(shu)據(ju)一(yi)起(qi)在(zai)回(hui)寫(xie)到(dao)存(cun)儲(chu)器(qi)裏(li)麵(mian)去(qu)。如(ru)果(guo)設(she)備(bei)在(zai)擦(ca)除(chu)塊(kuai)過(guo)程(cheng)中(zhong)或(huo)者(zhe)在(zai)回(hui)寫(xie)數(shu)據(ju)過(guo)程(cheng)中(zhong)意(yi)外(wai)發(fa)生(sheng)斷(duan)電(dian)甚(shen)至(zhi)電(dian)壓(ya)不(bu)穩(wen)定(ding)
，均(jun)會(hui)造(zao)出(chu)數(shu)據(ju)丟(diu)失(shi)或(huo)者(zhe)損(sun)壞(huai)。如(ru)果(guo)丟(diu)失(shi)的(de)數(shu)據(ju)是(shi)文(wen)件(jian)係(xi)統(tong)的(de)FAT表
，則會造成文件係統崩潰。這就是引起係統程序無法啟動災難性後果的原因。

 

 

很多時候
，產品在未出廠前燒錄程序
、反複測試，無論怎樣折騰也不會出現丟程序的情況。這可能的因素是測試設備保證了穩定的運行中電源輸出，因此係統運行中正常的Flash保護機製是可靠執行的。

 

相對於用戶實際使用而言

，想避免Flash損壞的情況。需要嚴格遵守產品說明使用，尤其注意避免在Flash擦(ca)除(chu)或(huo)寫(xie)入(ru)過(guo)程(cheng)中(zhong)人(ren)為(wei)地(di)突(tu)然(ran)掉(diao)電(dian)。這(zhe)是(shi)存(cun)儲(chu)器(qi)件(jian)用(yong)法(fa)的(de)一(yi)個(ge)大(da)忌(ji)，即(ji)使(shi)完(wan)好(hao)的(de)器(qi)件(jian)，如(ru)此(ci)不(bu)規(gui)範(fan)的(de)使(shi)用(yong)也(ye)會(hui)大(da)大(da)縮(suo)短(duan)其(qi)壽(shou)命(ming)。而(er)且(qie)不(bu)同(tong)環(huan)境(jing)下(xia)的(de)電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)五(wu)花(hua)八(ba)門(men)，在(zai)電(dian)源(yuan)不(bu)滿(man)足(zu)功(gong)率(lv)要(yao)求(qiu)情(qing)況(kuang)下(xia)程(cheng)序(xu)對(dui)於(yu)電(dian)源(yuan)低(di)電(dian)量(liang)的(de)檢(jian)測(ce)閾(yu)值(zhi)較(jiao)低(di)，此(ci)時(shi)強(qiang)製(zhi)啟(qi)動(dong)係(xi)統(tong)或(huo)執(zhi)行(xing)寫(xie)操(cao)作(zuo)更(geng)會(hui)加(jia)劇(ju)係(xi)統(tong)耗(hao)電(dian)波(bo)動(dong)，巨(ju)大(da)的(de)紋(wen)波(bo)也(ye)會(hui)引(yin)起(qi)CPU對存儲的誤操作。

 

解決此問題對於軟件方麵而言：

 

調試係統或現場使用時，建議使用軟件複位
，避免人為頻繁的通過斷電實現複位操作；有斷電必要時，將打印信息添加如“係統加載完成”、“數據保存完畢”等指示說明後操作；

 

軟件采取Flash均衡保存算法
，高效地調整更改數據時擦除的Flash區域大小
；

 

可將數據先寫入內存或者鐵電存儲器
，然後定期的再將數據搬移到大的存儲器裏麵

，減少直接斷Nand-Flash

、EMMC擦寫次數；

 

在程序中加入或者提高電源電量檢測的閾值
，程序上保證所有電源係統下的芯片在此閾值上均可以正常工作。

 

讀寫過程中仔細對壞塊表進行維護更新，避免程序寫入壞塊。讀取數據時對ECC校驗
，確保讀取數據無誤。

 

從硬件角度考慮需要注意：

 

用法上避免在Flash擦除或寫入過程中人為突然掉電；

 

設計好處理控製核心的電源係統
，防止CPU等在啟動、運行中，電源係統因瞬時變化引起的紋波等情況；

 

搭配掉電檢測電路，在檢測到外部電源掉電的同時，及時迅速關閉文件係統，停止向文件係統內寫數據的操作；

 

添加文件係統電源域UPS電源，乃至整機掉電續航工作電源

；

 

對於使用EEPROM等小容量存儲的用戶而言，可以考慮使用高可靠性的鐵電材料加工製成的鐵電非易失性存儲器FRAM來替換。FRAM可以像RAM一樣快速讀寫。數據在掉電後可以保存10年，且其讀寫壽命高達100億次，比EEPROM和其他非易失性記憶體係統可靠性更高，結構更簡單，功耗低等優點。

 

 

圖2 鐵電材料非易失性存儲器

 

下麵簡介一款基於法拉電容的UPS電路設計思路，要點如下：

 

youyudianrongcunzaigetichayi

，dianrongcunchudianhedesulvbuyiyang，cunzaiguochongzaochengdianyachaoguonaiyazhidewenti，dianluzhongcunzaiduokefaladianrongshixuyaozuojunyachuli；

 

為保證電容能夠充滿電能，源端需采用恒流源充電；

 

為維持電容電壓穩定
，並降低充電電路功耗，需增加過壓檢測電路
；

 

若對電壓高於法拉電容本身電壓上限的電源係統提供掉電續航時
，Vcc_backup端需通過BOOST升壓電路後以實現

，且注意係統正常時（充電過程中）關斷EN腳。

 

 

圖3 基於法拉電容的UPS核心電路

 

係統電源正常時
，充電電路即給UPS充電。係統電源掉電時，UPS放電給係統提供備用電能，建議UPS在掉電後能持續給文件係統供電能力不低於10秒，在10秒續航期間內，係統可以將電源異常狀態上報、及時保持臨時重要數據、關閉文件係統，保證係統穩定性
，避免文件係統在掉電情況下出現損害，影響應用程序的正常啟動。

 

 

圖4 建議UPS充放電時序

 

此外係統掉電情況需要掉電檢測電路實現。使用一顆比較器器件即可，注意使用Output_VCCduangongdian，yiquebaowaibudiaodianshi
，bijiaoqirengrankeyigongzuo。bijiaoqifuduanlianjieyigecankaodianya
，cankaodianyayouwenyaerjiguantigong。zhengchanggongdianshi
，bijiaoqishuchudianyayoushengyadianludefankuiduanfenyajueding；掉電時

，比較器輸出低電平，此時處理器仍未掉電
，收到狀態信息可及時響應處理。另一路掉電檢測可供其它功能使用。

 

 

圖5 係統掉電檢測電路

 

 

在ARM內核核心板
、開發板
、工控機等領域
，M6708核心板、M/A335x核心板
、M/A28x核心板、EPC係列工控主板
、IoT係列無線主板/網關、DCP係列經典工控機等產品中，核心板產品針對Nand-Flash有著完善的壞塊管理、工控主板添加掉電保護等措施。例如在Linux係統下加固Flash驅動、對操作係統進行雙備份；軟件與硬件信號測試對Flash進行10萬次掉電試驗等。

 

同時，致遠電子配備專業的EMC實驗室
、安規實驗室
、環境實驗室等可實際模擬惡劣應用狀況試驗。結合優質供應商保證各產品分立器件均達到EMC工業三級標準，有良好的靜電抗性、雷擊浪湧抗性、電瞬變群脈衝抗性、以及極低的EMI傳導騷擾情況；可實現-40℃~+85℃的工業級環境適應性。為從Flash至整套目標係統的可靠性安全穩定提供切實保障。 

 

 

圖6 DCP-1000L產品剖析圖示