【飞凌技术分享】从eMMC到NAND，嵌入式系统存储的软件优化策略-电子发烧友网

在嵌入式系统开发领域，存储器作为信息交互的核心载体，其技术特性直接影响着系统性能与稳定性。然而，有些人在面对Linux、安卓等复杂操作系统环境时，理解其存储机制尚存局限，为突破这些技术瓶颈，飞凌嵌入式希望通过对存储相关知识的分享，助力大家构建完整的存储知识体系框架。

首先，嵌入式场景中常用来存储数据的介质分为两类：

Managed NAND，以eMMC（embedded Multi-Media Card）TF卡、SD卡为主内部带有存储管理控制器。
Raw NAND，以NAND为主的未带有存储管理功能，只包含简单IO逻辑控制。

上图描述了NAND存储和eMMC存储的关系，NAND Controller代指核心板的CPU，NAND指实际参与存储的区域，由此看出实际上eMMC和NAND的区别在于存储管理控制是在eMMC内部还是核心板的 CPU。存储管理主要包括功能：坏块管理、ECC校验、磨损均衡、数据保持和地址管理及映射等。

01 存储的相关概念

存储类型分为SLC、MLC、TLC、QLC。嵌入式常用类型低存储容量一般为SLC和MLC，高存储容量一般是TLC。

SLC (Single-Level Cell) 速度快，寿命长，价格贵，理论擦写次数在10万次左右。

MLC (Multi-Level Cell) 速度较快，寿命较长、价格较贵，理论擦写次数在3000-5000次。

TLC (Trinary-Level Cell) 速度较慢，寿命较短、价格最便宜，理论擦写次数在1000-3000次。

QLC (Quad-Level Cell) 容量可以做的更大，成本上更低，劣势就是P/E寿命更短。

pSLC (pseudo SLC) 以 MLC的FLASH为基础，但在每个Cell中只存1 bit而不是2 bit数据。由于在同一个Cell中跟SLC一样只存储一个bit，但又不是真的 SLC，所以称之pSLC。依上述原理，若将MLC用做pSLC，存储空间将减半，寿命通常可以提升到3万次左右。

P/E (Program/Erase Count) ：擦写寿命。耐用性两个指标之一。

TBW (Total Bytes Written) ：总写入量。是厂商用以界定质保期的数值，即超过了这个数值的写入量之后，厂商就不再给予质保服务。耐用性两个指标之一。

FW (Firmware) ：由于eMMC内部控制器属于软件编程控制器，会需要固件，eMMC在存储厂家出厂前已经烧录对应固件。

WA (Write amplification) ：写放大。表示实际写入的物理数据量是写入数据量的多少倍，即：闪存写入的数据量÷主控写入的数据量 = 写放大。

GC（Garbage Collection) ：垃圾回收。NAND介质的存储写入是按照页（Page）写入，是按照块（Block）擦除。

02 eMMC和NAND的差异

（1）eMMC与NAND对比

（2） eMMC的相关特点

eMMC使用单独的硬件控制器对存储进行管理，相比于Linux下NAND驱动管理可靠性更高。
内部固件集成多种功能：使用寿命等健康信息记录、根据不同的场景动态调整内部存储策略。
接口标准，各厂家各容量兼容性好。
eMMC的存储寿命普遍不如NAND寿命长。相比于NAND大部分使用SLC或者MLC，eMMC大部分是MLC或者TLC，eMMC相对于NAND单位寿命会低；但是由于eMMC的存储容量一般较大，一定程度上抵消单位寿命低的劣势。

（3）NAND的相关特点

系统的驱动主要是由SoC厂家及系统上游逻辑决定，针对不同的NAND存储介质无法发挥出最大优势，或者存在驱动逻辑兼容性问题。
NAND容易出现位翻转、坏块等情况，相比eMMC内部管理，CPU管理需要占用较大系统开销用来维护存储内容。
接口标准采用ONFI接口协议，但是不同厂家的NAND的页、OOB区及块大小等配置存在差异，如果物料停产需要换型会存在镜像不兼容风险。
NAND的布局控制是由CPU管理，对应的分区管理和逻辑定制会有很大的灵活性，根据实际应用场景制定不同的管理策略。
NAND单位存储寿命较长。

综上，产品存储选型建议使用带有管理功能的eMMC。

03 存储使用建议

eMMC：建议预留25%空间，避免频繁触发GC。
由于存储的最小写入单元是Page，最小的擦除单元是Block。以16K page举例，如果单次写入小于一个Page的数据，会造成写放大。如果单次写入数据远远小于Page的大小，写放大会很严重。最终会导致寿命大大缩短。建议对小数据先通过DDR内存进行缓冲，缓冲一定数据再组合写入。
使用中如果出现异常断电，定期需要对文件系统使用工具扫描修复，避免由于异常断电数据未及时保存导致文件系统异常。如果是频繁异常掉电场景，可以增加硬件加掉电保护措施，用来保证系统稳定性。
产品设计初期，需要结合实际应用场景存储数据的频率，为保证产品寿命要求，评估选择合适的存储类型和容量。

04 飞凌嵌入式赋能

（1）针对eMMC，根据对寿命及健康信息读取分析，让应用掌握更全面的存储信息，并作出合理的调整。

应用可以实时监控当前的存储寿命，用来在设备存储寿命降低到自定义阈值时发送报警信号做特定处理。
应用可以实时查看系统的健康信息，评估存储的写放大系数，用来评估应用软件升级对存储带来的影响，进而估算剩余寿命。

（2）针对NAND，根据增加手段统计实际NAND的擦写、搬移、标记等信息，给出应用IO操作改善建议。

（3）针对所有类型存储，根据对终端设备不同使用场景特点采集分析，评估出更适合场景的应用编写参考。

终端实际应用场景主要集中在：日志循环存储、应用关键数据参数存储及缓冲数据。
日志循环存储特点：循环擦写，写入频繁，读取不频繁。和文件系统同时存在，会出现写频繁和只读混放数据，会影响整体的稳定性。举例：大部分eMMC的损耗平衡特性是全盘范围，软件上的文件系统分区未实现想要的数据隔离效果，这个其实可以在初期评估阶段解决。
关键数据特点：小数据量状态信息，比较重要，信息量不大。
缓冲数据特点：顺序写入，整体擦除。

实际软件开发过程中，根据如上数据特点，为保证产品稳定性在如下3个阶段给出优化方案：

产品开发前做对应存储方案选型，能够提前评估出风险。通过实际应用场景产品的目标寿命，评估出存储类型、文件系统类型、应用数据读写建议及烧录方式等。
产品开发完成前做实际存储的优化。产品的样机测试阶段需要对系统实际读写频次、大小做接口数据统计分析，对存储做数据稳定性分析（例：NAND存储变位及坏块分析）。通过分析给出读写数据单元大小优化建议、连续/随机读写优化建议。
产品部署前做最终的预估寿命评估。结合最终优化效果给出实际应用中的一个寿命预估。

除上述优化策略外，不同eMMC、NAND厂家在满足接口协议标准前提下提供了不同的优化特性，部分优化特性需要结合操作系统修改才能发挥出更好的效果。