技術分享 | 從eMMC到NAND，嵌入式系統存儲的軟件優化策略
在嵌入式系統開發領域，存儲器作為信息交互的核心載體，其技術特性直接影響著系統性能與穩定性。然而，有些人在面對Linux、安卓等復雜操作系統環境時，理解其存儲機制尚存局限，為突破這些技術瓶頸，飛凌嵌入式希望通過對存儲相關知識的分享，助力大家構建完整的存儲知識體系框架。
首先，嵌入式場景中常用來存儲數據的介質分為兩類：
·Managed NAND，以eMMC（embedded Multi-Media Card）TF卡、SD卡為主內部帶有存儲管理控制器。
·Raw NAND，以NAND為主的未帶有存儲管理功能，只包含簡單IO邏輯控制。
上圖描述了NAND存儲和eMMC存儲的關系，NAND Controller代指核心板的CPU，NAND指實際參與存儲的區域，由此看出實際上eMMC和NAND的區別在于存儲管理控制是在eMMC內部還是核心板的 CPU。存儲管理主要包括功能：壞塊管理、ECC校驗、磨損均衡、數據保持和地址管理及映射等。
一、存儲的相關概念
存儲類型分為SLC、MLC、TLC、QLC。嵌入式常用類型低存儲容量一般為SLC和MLC，高存儲容量一般是TLC。
SLC (Single-Level Cell) 速度快，壽命長，價格貴，理論擦寫次數在10萬次左右。
MLC (Multi-Level Cell) 速度較快，壽命較長、價格較貴，理論擦寫次數在3000-5000次。
TLC (Trinary-Level Cell) 速度較慢，壽命較短、價格最便宜，理論擦寫次數在1000-3000次。
QLC (Quad-Level Cell) 容量可以做的更大，成本上更低，劣勢就是P/E壽命更短。
pSLC (pseudo SLC) 以 MLC的FLASH為基礎，但在每個Cell中只存1 bit而不是2 bit數據。由于在同一個Cell中跟SLC一樣只存儲一個bit，但又不是真的 SLC，所以稱之pSLC。依上述原理，若將MLC用做pSLC，存儲空間將減半，壽命通常可以提升到3萬次左右。
P/E (Program/Erase Count) ：擦寫壽命。耐用性兩個指標之一。
TBW (Total Bytes Written) ：總寫入量。是廠商用以界定質保期的數值，即超過了這個數值的寫入量之后，廠商就不再給予質保服務。耐用性兩個指標之一。
FW (Firmware) ：由于eMMC內部控制器屬于軟件編程控制器，會需要固件，eMMC在存儲廠家出廠前已經燒錄對應固件。
WA (Write amplification) ：寫放大。表示實際寫入的物理數據量是寫入數據量的多少倍，即：閃存寫入的數據量÷主控寫入的數據量 = 寫放大。
GC（Garbage Collection) ：垃圾回收。NAND介質的存儲寫入是按照頁（Page）寫入，是按照塊（Block）擦除。
二、eMMC和NAND的差異
（1）eMMC與NAND對比
（2） eMMC的相關特點
·eMMC使用單獨的硬件控制器對存儲進行管理，相比于Linux下NAND驅動管理可靠性更高。
·內部固件集成多種功能：使用壽命等健康信息記錄、根據不同的場景動態調整內部存儲策略。
·接口標準，各廠家各容量兼容性好。
·eMMC的存儲壽命普遍不如NAND壽命長。相比于NAND大部分使用SLC或者MLC，eMMC大部分是MLC或者TLC，eMMC相對于NAND單位壽命會低；但是由于eMMC的存儲容量一般較大，一定程度上抵消單位壽命低的劣勢。
（3）NAND的相關特點
·系統的驅動主要是由SoC廠家及系統上游邏輯決定，針對不同的NAND存儲介質無法發揮出最大優勢，或者存在驅動邏輯兼容性問題。
·NAND容易出現位翻轉、壞塊等情況，相比eMMC內部管理，CPU管理需要占用較大系統開銷用來維護存儲內容。
·接口標準采用ONFI接口協議，但是不同廠家的NAND的頁、OOB區及塊大小等配置存在差異，如果物料停產需要換型會存在鏡像不兼容風險。
·NAND的布局控制是由CPU管理，對應的分區管理和邏輯定制會有很大的靈活性，根據實際應用場景制定不同的管理策略。
·NAND單位存儲壽命較長。
綜上，產品存儲選型建議使用帶有管理功能的eMMC。
三、存儲使用建議
·eMMC：建議預留25%空間，避免頻繁觸發GC。
·由于存儲的最小寫入單元是Page，最小的擦除單元是Block。以16K page舉例，如果單次寫入小于 一個Page的數據，會造成寫放大。如果單次寫入數據遠遠小于Page的大小，寫放大會很嚴重。最終會導致壽命大大縮短。建議對小數據先通過DDR內存進行緩沖，緩沖一定數據再組合寫入。
·使用中如果出現異常斷電，定期需要對文件系統使用工具掃描修復，避免由于異常斷電數據未及時 保存導致文件系統異常。如果是頻繁異常掉電場景，可以增加硬件加掉電保護措施，用來保證系統穩定性。
·產品設計初期，需要結合實際應用場景存儲數據的頻率，為保證產品壽命要求，評估選擇合適的存儲類型和容量。
四、飛凌嵌入式賦能
（1）針對eMMC，根據對壽命及健康信息讀取分析，讓應用掌握更全面的存儲信息，并作出合理的調整。
應用可以實時監控當前的存儲壽命，用來在設備存儲壽命降低到自定義閾值時發送報警信號做 特定處理。
應用可以實時查看系統的健康信息，評估存儲的寫放大系數，用來評估應用軟件升級對存儲帶 來的影響，進而估算剩余壽命。
（2）針對NAND，根據增加手段統計實際NAND的擦寫、搬移、標記等信息，給出應用IO操作改善建議。
（3）針對所有類型存儲，根據對終端設備不同使用場景特點采集分析，評估出更適合場景的應用編寫參考。
·終端實際應用場景主要集中在：日志循環存儲、應用關鍵數據參數存儲及緩沖數據。
·日志循環存儲特點：循環擦寫，寫入頻繁，讀取不頻繁。和文件系統同時存在，會出現寫頻繁 和只讀混放數據，會影響整體的穩定性。舉例：大部分eMMC的損耗平衡特性是全盤范圍，軟件上的文件系統分區未實現想要的數據隔離效果，這個其實可以在初期評估階段解決。
·關鍵數據特點：小數據量狀態信息，比較重要，信息量不大。
·緩沖數據特點：順序寫入，整體擦除。
實際軟件開發過程中，根據如上數據特點，為保證產品穩定性在如下3個階段給出優化方案：
·產品開發前做對應存儲方案選型，能夠提前評估出風險。通過實際應用場景產品的目標壽命， 評估出存儲類型、文件系統類型、應用數據讀寫建議及燒錄方式等。
·產品開發完成前做實際存儲的優化。產品的樣機測試階段需要對系統實際讀寫頻次、大小做接 口數據統計分析，對存儲做數據穩定性分析（例：NAND存儲變位及壞塊分析）。通過分析給 出讀寫數據單元大小優化建議、連續/隨機讀寫優化建議。
·產品部署前做最終的預估壽命評估。結合最終優化效果給出實際應用中的一個壽命預估。
除上述優化策略外，不同eMMC、NAND廠家在滿足接口協議標準前提下提供了不同的優化特性，部分優化特性需要結合操作系統修改才能發揮出更好的效果。
五、總結
存儲穩定性直接關乎到最終產品的穩定性，本文圍繞eMMC和NAND的特性做了對比介紹，目的是幫助研發工程師在實際開發產品過程中更簡單、更高效。
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