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  • Flash存储的故事

    千次阅读 2018-11-05 18:10:06
    Flash存储系统由于其优异的性能、高效的存储密度和出色的节能特性使得Flash存储有望替代机械磁盘成为企业级存储的核心。未来很有可能所有的数据都会存储在Flash存储介质上面,包括银行、中小企业、互联网、电信等...

    转自:http://blog.51cto.com/alanwu/1426457

    Flash存储是存储界的新人和红人。Flash存储系统由于其优异的性能、高效的存储密度和出色的节能特性使得Flash存储有望替代机械磁盘成为企业级存储的核心。未来很有可能所有的数据都会存储在Flash存储介质上面,包括银行、中小企业、互联网、电信等存储大户。

    当年沉迷于电子设计的时候,没有想到一个小小的Flash居然能够做成一个新兴的存储产业。做电子设计的时候,很多时候需要用到存储芯片,比较老的存储芯片如TI的27系列紫外线可擦除存储器。

     

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    该存储器需要通过紫外线照射的方式擦除已经存储的数据。也就是需要擦除数据的时候,将芯片放到太阳光底下去晒一段时间,晒完之后,存储在芯片内部的数据就没有了,芯片可以继续编程使用了。此类芯片使用非常麻烦,所以记得到2000年初的时候已经很少有人使用这种芯片了,取而代之用的最多的就是电可擦写存储器EEPROM。

     

    wKiom1OcXIPjASvFAABENF4Hr6Q247.jpg

     

    EEPROM的典型代表是SPI接口的93CXX系列存储器,以及I2C接口的24CXX系列存储器。这些EEPROM容量都比较小,通常用来存储一些小容量数据,例如系统的配置信息。像网卡的配置信息、PCI桥的配置信息都存储在93C46之类的芯片中。这种存储器一个比较好的特点是可以进行字节级编程,但是读写性能都很差。如果要进行大数据存储,是不能采用此类芯片的。例如,当初我设计一个收费站监控系统,需要存储一个月的营业额,那么需要采用大容量的可编程存储器进行数据存储。此时就需要采用Flash存储芯片了。

     

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    和EEPROM相比,Flash存储芯片的一个特点是存储容量大,并且以块单元进行数据擦除操作,以Page页的方式进行数据读写。该类芯片都采用IO接口的方式与CPU相连,即通过命令的方式进行读写、擦除操作。在电子设计的时候,使用Flash芯片最大的问题在于开发Flash的操作函数集,例如读page函数、写page函数、块擦除函数。在操作系统环境里,这些函数就构成了一个Flash芯片的驱动程序。此外,由于控制器通常采用GPIO和Flash相连,因此需要通过程序的方式模拟Flash接口时序。如果设计的板子上有FPGA/CPLD之类的可编程器件,那么可以通过Verilog/VHDL语言或者通过图形的方式设计一个Flash芯片的时序控制器,这样CPU控制器就无需采用软件方式模拟Flash时序了。这些事情是电子设计工程师经常干的,而且也非常熟悉的东西。基于NAND Flash设计的存储系统电路图比较简单,如下图所示:

     

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    上面提到的Flash其实是NAND Flash,在电子设计的时候还会经常用到另外一种Flash——NOR Flash。

     

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    NOR Flash通常是用作程序存储器,容量不是很大。和NAND Flash相比,其最大的特点是读取速度快,但是写入速度要比NAND Flash慢,容量要小的多。因此,NOR Flash通常被用作程序存储器。在低速的51系统中,程序可以直接运行在NOR Flash上;在高速的ARM系统中,程序需要从NOR Flash中引导到Memory中,然后在Memory中运行。和NAND Flash相比,NOR Flash的接口也大不一样。NOR Flash采用的是标准总线接口,有地址线、数据线和控制线之分,因此,处理器可以直接与NOR Flash相连,而不像NAND Flash一样还需要接口控制器。一个典型的NOR Flash电路原理图如下所示:

     

    wKiom1OcXOKCfqpIAAD9tUtc208625.jpg

     

    NOR Flash中的程序是需要编程写入的。如果是外置式的NOR Flash,那么需要一些小的技巧才能将程序写入NOR Flash。在ARM处理器中,最常用的思路是首先编写一个小的NOR Flash烧录程序,通过ARM处理器内部的Bootload程序将这个烧录程序下载到内存中,然后运行该烧录程序。编写的该烧录程序有如下几个方面的功能:

    1、初始化内存,使得ARM处理器能够使用所有的板载内存

    2、通过串口接收需要烧录的程序数据,并且把需要下载的数据缓存至内存中

    3、能够操作NOR Flash,并且将内存中的数据烧写入NOR Flash

    上述这些工作是嵌入式工程师经常需要做的事情。

    在8年前未踏入存储这个行业的时候,对NAND Flash也就是这个理解,仅仅是作为电子设计的一个大容量存储器而已,最多在嵌入式的环境下跑跑Flash的文件系统。但是,这么多年对存储进行深入研究、开发之后发现,NAND Flash的确拥有很多的优势,但是同时也存在很多的问题。如果想要将NAND Flash应用到企业级存储领域,那么面临的挑战将十分严峻。前面有一篇文章《采用NAND Flash设计存储设备的挑战在哪里?》也蜻蜓点水的分析了一下NAND Flash作为企业级存储介质存在的一些挑战,真正想把NAND Flash的特点发挥到极致,需要走的路还很长。

    业内很多人都在研究Flash Translation Layer(FTL)算法,目的就是要把NAND Flash的问题屏蔽掉,然后对外提供标准的块设备接口,从而使得传统的应用软件可以直接在Flash上跑起来。可以说FTL是Flash存储最底层的核心技术,其解决了不均衡的性能问题、写放大问题、块擦除的寿命问题。通过这些问题的解决,使得NAND Flash很多方面可以和传统的机械磁盘相媲美,在性能上远远超过传统硬盘。到目前为止,个人认为FTL算法已经研究的相对很成熟了,所以,基于FTL的Flash盘应该说可以大规模应用了,其主要障碍就在于NAND Flash芯片成本了。

    在企业级Flash存储中,仅仅有FTL算法是远远不够的。基于Flash如何做盘阵?基于Flash如果做文件系统?基于Flash如果做大规模存储系统?这些存储级别的问题还没有得到完美的解决。个人认为,在Flash存储这一块,RAID技术、文件系统、互连技术、多处理器并行(集群)处理技术应该是研发攻关的重点。Flash存储的未来不是梦,NAND Flash半导体的进步;基于Flash的存储技术的进步;准确的市场切入能力将会推动整个Flash存储产业不断前进。

    Redefine storage; change the world; make the world better!

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  • flash存储原理

    2019-10-03 16:29:05
    norflash 带有 SRAM接口,有足够的地址引脚来寻址,可以很容易地存取其内容每一字节;nandflash器件使用复杂的IO口串行的存取数据,读写操作采用512字节的块(也就是读/...flash存储原理 一、半导体存储设备的原理...

    norflash 带有 SRAM接口,有足够的地址引脚来寻址,可以很容易地存取其内容每一字节;
    nandflash器件使用复杂的IO口串行的存取数据,读写操作采用512字节的块(也就是读/写某个字节,必须从其所在的块起始位置开始读/写),这一点有点像硬盘管理类操作,很自然地,基于nandlflash的存储器就可以取代硬盘或其它块设备。

     

    flash存储原理

    一、半导体存储设备的原理

      目前市面上出现了大量的便携式存储设备,这些设备大部分是以半导体芯片为存储介质的。采用半导体存储介质,可以把体积变的很小,便于携带;与硬盘之类的存储设备不同,它没有机械结构,所以也不怕碰撞;没有机械噪声;与其它存储设备相比,耗电量很小;读写速度也非常快。半导体存储设备的主要缺点就是价格和容量。

      现在的半导体存储设备普遍采用了一种叫做“FLASH MEMORY”的技术。从字面上可理解为闪速存储器,它的擦写速度快是相对于EPROM而言的。FLASH MEMORY是一种非易失型存储器,因为掉电后,芯片内的数据不会丢失,所以很适合用来作电脑的外部存储设备。它采用电擦写方式、可10万次重复擦写、擦写速度快、耗电量小。

    1.NOR型FLASH芯片
    我们知道三极管具备导通和不导通两种状态,这两种状态可以用来表示数据0和数据1,因此利用三极管作为存储单元的三极管阵列就可作为存储设备。FLASH技术是采用特殊的浮栅场效应管作为存储单元。这种场效应管的结构与普通场管有很大区别。它具有两个栅极,一个如普通场管栅极一样,用导线引出,称为“选择栅”;另一个则处于二氧化硅的包围之中不与任何部分相连,这个不与任何部分相连的栅极称为“浮栅”。通常情况下,浮栅不带电荷,则场效应管处于不导通状态,场效应管的漏极电平为高,则表示数据1。编程时,场效应管的漏极和选择栅都加上较高的编程电压,源极则接地。这样大量电子从源极流向漏极,形成相当大的电流,产生大量热电子,并从衬底的二氧化硅层俘获电子,由于电子的密度大,有的电子就到达了衬底与浮栅之间的二氧化硅层,这时由于选择栅加有高电压,在电场作用下,这些电子又通过二氧化硅层到达浮栅,并在浮栅上形成电子团。浮栅上的电子团即使在掉电的情况下,仍然会存留在浮栅上,所以信息能够长期保存(通常来说,这个时间可达10年)。由于浮栅为负,所以选择栅为正,在存储器电路中,源极接地,所以相当于场效应管导通,漏极电平为低,即数据0被写入。擦除时,源极加上较高的编程电压,选择栅接地,漏极开路。根据隧道效应和量子力学的原理,浮栅上的电子将穿过势垒到达源极,浮栅上没有电子后,就意味着信息被擦除了。

      由于热电子的速度快,所以编程时间短,并且数据保存的效果好,但是耗电量比较大。

      每个场效应管为一个独立的存储单元。一组场效应管的漏极连接在一起组成位线,场效应管的栅极连接在一起组成选择线,可以直接访问每一个存储单元,也就是说可以以字节或字为单位进行寻址,属于并行方式。因此可以实现快速的随机访问,但是这种方式使得存储密度降低,相同容量时耗费的硅片面积比较大,因而这种类型的FLASH芯片的价格比较高。

      特点:数据线和地址线分离、以字节或字为单位编程、以块为单位擦除、编程和擦除的速度慢、耗电量大、价格高。

    2.NAND型FLASH芯片
    NAND型FLASH芯片的存储原理与NOR型稍有不同,编程时,它不是利用热电子效应,而是利用了量子的隧道效应。在选择栅加上较高的编程电压,源极和漏极接地,使电子穿越势垒到达浮栅,并聚集在浮栅上,存储信息。擦除时仍利用隧道效应,不过把电压反过来,从而消除浮栅上的电子,达到清除信息的结果。

      利用隧道效应,编程速度比较慢,数据保存效果稍差,但是很省电。
    一组场效应管为一个基本存储单元(通常为8位、16位等)。一组场效应管串行连接在一起,一组场效应管只有一根位线,属于串行方式,随机访问速度比较慢。但是存储密度很高,可以在很小的芯片上做到很大的容量。

      特点:读写操作是以页为单位的,擦除是以块为单位的,因此编程和擦除的速度都非常快;数据线和地址线共用,采用串行方式,随机读取速度慢,不能按字节随机编程。体积小,价格低。芯片内存在失效块,需要查错和效验功能。 3.AND型FLASH芯片

      AND技术是Hitachi公司的专利技术。AND是一种结合了NOR和NAND的优点的串行FLASH芯片,它结合了INTEL公司的MLC技术,加上0.18μm的生产工艺,生产出的芯片,容量更大、功耗更低、体积更小、采用单一操作电压、块比较小。并且由于内部包含与块一样大的RAM缓冲区,因而克服了因采用MLC技术带来的性能降低。

      特点:功耗特别低,读电流为2mA,待机电流仅为1μA。芯片内部有RAM缓冲区,写入速度快。

    // MLC(Multi-level Cell)技术,这是INTEL提出的一种旨在提高存储密度的新技术。通常数据存储中存在一个阙值电压,低于这个电压表示数据0,高于这个电压表示数据1,所以一个基本存储单元(即一个场效应管)可存储一位数据(0或者1)。现在将阙值电压变为4种,则一个基本存储单元可以输出四种不同的电压,令这四种电压分别对应二进制数据00、01、10、11,则可以看出,每个基本存储单元一次可存储两位数据(00或者01或者10或者11)。如果阙值电压变为8种,则一个基本存储单元一次可存储3位数据。阙值电压越多,则一个基本存储单元可存储的数据位数也越多。这样一来,存储密度大大增加,同样面积的硅片上就可以做到更大的存储容量。不过阙值电压越多,干扰也就越严重。

    二、各种各样的半导体存储卡

    1.ATA FLASH卡

    这种存储卡是基于FLASH技术(通常采用NAND型)的ATA接口的PC卡。在电源管理方面,具备休眠、待命、运行和闲置等4种模式,整体功耗比较小。具有I/O、内存和ATA三种接口方式。由于体积比较大,所以可以使用更多的存储芯片,因而也可以做到更大的容量。主要用于笔记本电脑、数码相机和台式PC机。

     

    从图中可以看出,ATA FLASH卡由控制芯片和存储模块两部分组成。智能化的控制芯片有两个作用,一是对FLASH芯片的控制,另外就是完成PC卡的ATA(IDE)接口功能。由于接口支持IDE模式,所以可以通过简单的转接到PC机的IDE接口。它支持扇区方式读写,可以象操作硬盘一样对它进行各种操作。接口有68个引脚。因为引脚中的电源和地两个引脚比其它引脚要长,保证了信号脚先分离,最后断电,所以支持热插拔。

    主要特点:存储容量大(可达1G)、即插即用、支持热插拔、传输速率约10M/s。

    ATA FLASH卡需要专用的读写设备,通常笔记本电脑内置了这种读写器。

    2.CF卡
     COMPACTFLASH是一种小型移动存储设备。这种标准是在1994年由SCANDISK公司提出的。CF卡兼容PCMCIA-ATA标准、兼容TRUEIDE标准、兼容ATA/ATAPI-4标准。其体积为43mm (1.7") x 36mm (1.4") x 3.3mm (0.13"),有50条引脚。主要用于数码相机、MP3播放器、PDA等便携式产品。

     CF卡的内部结构与ATA FLASH卡类似,也是由控制芯片和存储模块组成。智能化的控制芯片提供一个连接到计算机的高电平接口,这个接口运行计算机发布命令对存储卡以块为单位进行读写操作。块的大小为16K,有ECC效验。控制芯片管理着接口协议、数据存储、通过ECC效验修复数据、错误诊断、电源管理和时钟控制,一旦CF卡通过计算机的设置,它将以一个标准的ATA硬盘驱动器出现,你可以象对其它硬盘一样对它进行操作。

    CF卡需要专用的读写设备。但是因为它兼容PCMCIA-ATA标准,所以可以通过一个转接卡当做PCMCIA设备来使用。
    3.SM卡
    SMART MEDIA CARD简称SM卡,它是基于NAND型FLASH芯片的存储卡。它的最大特点是体积小(45.0mm x 37.0mm x 0.76mm )、重量轻(2克)。主要用于数码相机、PDA、电子音乐设备、数码录音机、打印机、扫描仪以及便携式终端设备等。


    从结构上讲,SM卡实在是简单不过了,卡的内部没有任何控制电路,仅仅是一个FLASH存储器芯片而已,芯片被封装到一个塑料卡片中,引脚与卡片表面的铜箔相连。
    SM卡采用NAND型的FLASH芯片,因而与其它存储卡相比具有较低的价格。但因为它只用了一个存储芯片,所以受到了很大的限制,不容易做到大容量。
    SM卡可以采用专用的读写器进行读写,也可以通过一个转接卡当做PC卡来读写。

      主要特点:NAND结构适合于文件存储;高速的读写操作;价格低廉。

    4.MEMORY STICK
    MEMORY STICK(记忆棒)是SONY公司推出的一种小体积的存储卡。它可用于各种消费类电子设备:数码摄像机、便携式音频播放设备、掌上电脑、移动电话等等。对于音乐等一些收保护的内容具备数字版权保护功能。

      SONY的MEMORY STICK具有写保护开关,采用10引脚的串行连接方式,具有很高的可靠性。通过一个PC卡适配器,它也可作为一个PC卡在各种PC卡读写设备上使用。   MEMORY STICK内部包括控制器和存储模块,控制芯片负责控制各种不同类型的FLASH存储芯片,并将负责并行数据和串行数据之间的相互转换。另外MEMORY STICK采用了一种专用的串行接口,发送数据时附加了一位效验码,最高工作频率为20M。

    5.MultiMedia卡(MMC)

    这是由美国SANDISK公司和德国西门子公司共同开发的一种通用的低价位的可用于数据存储和数据交换的多功能存储卡。作为一种低价位、小体积、大容量的存储卡,它的应用范围很广。可用于数码相机、数码摄像机、PDA、数码录音机、MP3、移动电话等设备。
    MMC卡的数据通讯是基于一种可工作在低电压范围下的串行总线,它有7条引线。它支持MMC总线和SPI总线。
    特点:由于工作电压低,耗电量很小。体积小,与一张邮票差不多。可对数据实行密码保护。内置写保护功能。

    6.Secure Digital Memory卡

    SD卡是由Panasonic、Toshiba及美国SanDisk公司于1999年8月共同开发研制的一种基于NAND技术的FLASH存储卡。它的体积非常小,仅有一张邮票大小,但是容量却很大。SD卡的另一个特点是,它具有非常好的数据安全性和版权保护功能。

    转载于:https://www.cnblogs.com/cartsp/p/7552511.html

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  • Flash存储控制器组成!(flash)

    千次阅读 2018-11-10 17:26:49
    Flash存储控制器组成 Flash存储控制器(Flash Memory Contoller.FMC)包括AHB从接口、Cacte存储控制器、Boot Loader、Flash控制寄存器、Flash初始化控制器、Flash操作控制器和片上Flash存储器。Flash 存储控制器框图...

                                Flash存储控制器组成

    Flash存储控制器(Flash Memory Contoller.FMC)包括AHB从接口、Cacte存储控制器、Boot Loader、Flash控制寄存器、Flash初始化控制器、Flash操作控制器和片上Flash存储器。Flash 存储控制器框图如下图所示。

     

    (1)AHB从接口
    在Flash存储控制器中有两个AHB从接口:一个是来自Cortex-M4的I总线与D总线,用于指令和数据读取;另一个是来自Cortex-M4 的S总线,用于Flash控制寄存器的访问,也用于ISP寄存器的访问。

    (2)Cache存储控制器
    出一个零等待周期的4 KB Cache,位于CortexM4 CPU和片上Flash之间。Cache存储控制器提高了Flash 的访问效率并降低了功耗。

    (3)Boot Loader
    Boot Loder的大小是16 KB,包括内建ISP 功能来更新片上Flash. BootLoader的内容是只读的,不可编程。

    (4)Flash控制寄存器
    所有的ISP控制和状态寄存器都在Flash控制寄存器中。

    (5)Flash初始化控制器
    当芯片上电或复位时,Flash初始化控制器将开始自动访问Flash,并且检测Flash的稳定性。重载用户配置内容到Flash控制寄存器用于系统初始化。

    (6)Flash操作控制器
    对Flash操作,例如Flash擦除、Flash编程和读Flash,有明确的控制时序。Flash操作控制器在收到Cache存储控制器、Flash控制寄存器和Flash初始化控制器的请求后,将产生这些控制时序。

    (7)片上Flash存储器
    片上Flash存储控制器是用于存储用户应用程序和参数的。它包括用户配置区(4 KB的LDROM)以及数据Flash的128 KB/256 KB APROM.页擦除的Flash大小是2 KB,最小可编程位大小是32位。
     

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  • Flash存储架构介绍

    2020-06-27 23:28:50
    Flash存储的特性 存储系统的演进随着盘介质及CPU、网络总线的演进而演进的,盘介质的演进对存储系统的演进起着决定性作用。随着Flash介质在容量、可靠性的提高,特别是成本的下降,成为可以替代企业硬盘的一个选择,...

    Flash存储的特性

    存储系统的演进随着盘介质及CPU、网络总线的演进而演进的,盘介质的演进对存储系统的演进起着决定性作用。随着Flash介质在容量、可靠性的提高,特别是成本的下降,成为可以替代企业硬盘的一个选择,用SSD(SolidState Disk、Flash介质盘)替代企业阵列中的HDD盘可以带来高性能、低时延,同时整体能耗也会下降,但是由于Flash介质磨损问题,其成本仍然高于HDD的问题就需要通过系统层面的改进和优化来解决。

    不同存储厂家的Flash架构

    1. IBM FlashSystem软件架构

    FlashSystem的Flash存储组件是一种专有硬件架构,I/O数据路径由FPGA完成处理,性能高但特性很少,对介质的寿命要求高。
    在实际应用时,一般需要和IBM SVC存储虚拟化软件配合,提供完整的存储特性。SSD存储组件提供持久化存储能力,SVC虚拟化软件提供特性。此时虚拟化软件本身容易成为性能瓶颈。这种架构下难以支持在线重复数据删除特性。

    2. XtremI/O架构

    XtremI/O采用基于服务器的Scale-out架构,最多支持8个X-Brick节点,节点间通过RDMA Fabric互联。在软件实现上为全闪存进行重新设计,支持在线重删、压缩、瘦分配等特性。节点间数据/元数据Hash打散分布。
    XtremI/O运行基于Linux的XIOS软件系统,XIOS运行在用户态。
    系统分为数据面和管理面两大部分。
    (1)数据面
    R-Routing:负责前端I/O处理,包括I/O数据拆分,指纹计算:每一个节点运行一个R模块。
    C-Routing:负责LBA地址到Hash指纹映射表处理(A2H),以及高级数据服务,如快照、重删、Thin Provision。
    D-Data: 负责Hash指纹到物理地址映射表处理(H2P),以及所有下盘操作,包括XDP。
    (2)控制面
    P-Platform: 负责系统硬件管理,每一个节点运行一个P模块。
    M-Management:负责系统配置,接收来自XMS的配置命令,每个节点运行一个M模块,其中一个处于活动状态。
    L-Clustering:负责集群管理,每个节点运行一个L模块。
    读流程如下:

    1.主机通过iSCSI或者FC端口下发读请求
    2.R模块解读命令,将读请求分解到4K数据块上并选择一个C模块,比如C模块中的地址3上读取4K数据块;
    3.C模块包含Hash表以及对应地址,并根据地址进行查找,发现地址3即为Hash H4的地址
    4.D模块确定Hash H4在物理SSD的地址D上并查找该数据
    5.在物理SSD的地址D 上的4K数据块返回至主机

    XtremI/O软件上为闪存所做的主要优化为:基于双阶元数据引擎的在线重复数据删除,XDP数据布局,共享式全内存元数据。通过元数据全闪存提供稳定的处理时延,同时也制约每个控制器可以管理的介质容量,单节点容量不大,容量扩充通过扩展X-Brick来实现。

    3. PureStorage架构

    PureStorage采用Scale-up架构,软件为全闪存专门设计。其软件架构可以分为介质管理、存储服务、管理三层。
    介质管理:负责处理适配Flash块大小边界布局、全局磨损平衡、数据布局持久化、读优先处理、介质故障处理等,为服务层提供一个高性能的、可靠的虚拟化资源池。
    存储服务:在存储池上提供的数据缩减(重删、压缩、瘦分配)、数据保护、数据恢复等服务,实际提供用户可用的存储特性。
    管理:本地存储管理,应用生态对接,云支持。
    PureStorage在软件的主要特性为使用基于NVRAM的大日志式Cache来完成掉电保护、汇聚数据顺序写,减少写放大,从而可以使用较为廉价的cMLC介质,降低成本。

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  • NAND Flash存储结构

    2013-02-22 10:38:48
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空空如也

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