本文探討了嵌入式系統(tǒng)引導(dǎo)環(huán)境中不同類型的閃存的優(yōu)缺點(diǎn)。

許多嵌入式系統(tǒng)利用非易失性存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)引導(dǎo)代碼、配置參數(shù)以及系統(tǒng)斷電時(shí)持續(xù)存在的其他數(shù)據(jù)。如今，閃存在大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)中都扮演著這一角色。鑒于需要閃存的應(yīng)用范圍很廣，有多種架構(gòu)和功能集可以滿足應(yīng)用的不同要求。

常見的閃存技術(shù)包括并行或 SPI NOR 閃存、SLC NAND 和 eMMC 器件。最近，通用閃存存儲(chǔ)（UFS）也已成為一種選擇。本文探討了嵌入式系統(tǒng)引導(dǎo)環(huán)境中這些不同類型的閃存的優(yōu)缺點(diǎn)。

嵌入式系統(tǒng)引導(dǎo)的復(fù)雜性

從外部角度來(lái)看，啟動(dòng)嵌入式系統(tǒng)可能看起來(lái)很容易。但是，啟動(dòng)涉及許多步驟，如果需要快速可靠的啟動(dòng)，則需要仔細(xì)考慮設(shè)計(jì)。

圖 1：嵌入式系統(tǒng)啟動(dòng)序列的階段。

通常，嵌入式系統(tǒng)啟動(dòng)順序（參見圖 1）涉及以下步驟：

通電或硬件重置：這是引導(dǎo)嵌入式系統(tǒng)的第一步。它可以是打開系統(tǒng)電源，也可以是觸發(fā)系統(tǒng)的硬件重置。從此時(shí)起，系統(tǒng)開始執(zhí)行其代碼。

引導(dǎo)ROM或引導(dǎo)：內(nèi)核跳轉(zhuǎn)到復(fù)位向量并嘗試執(zhí)行第一個(gè)代碼。一些處理器具有小型內(nèi)部引導(dǎo)ROM，可以在制造時(shí)進(jìn)行編程。引導(dǎo)ROM代碼可以執(zhí)行處理器的一些基本初始化，例如設(shè)置時(shí)鐘，堆棧，中斷等。引導(dǎo)ROM還可以檢測(cè)引導(dǎo)加載程序的存儲(chǔ)位置;例如，在外部諾或 NAND 閃存設(shè)備中。

某些處理器可以引導(dǎo)以直接從外部閃存設(shè)備執(zhí)行代碼。這通常需要處理器的硬件本身支持與外部閃存設(shè)備通信的特定總線接口，因?yàn)樯形赐瓿绍浖跏蓟?/p>

引導(dǎo)加載程序 XIP 或重影：對(duì)于要執(zhí)行代碼的處理器，必須隨機(jī)訪問(wèn)代碼存儲(chǔ)。如果使用 NOR 閃存設(shè)備來(lái)存儲(chǔ)引導(dǎo)加載程序，則處理器可以直接從閃存設(shè)備運(yùn)行。此方法通常稱為原位計(jì)算 （XIP）。如果使用 NAND 或 eMMC 設(shè)備，首先需要將引導(dǎo)代碼復(fù)制到系統(tǒng)的 RAM。然后處理器可以跳轉(zhuǎn)到RAM空間并執(zhí)行。此方法稱為重影或存儲(chǔ)和下載 （SnD）。

此階段的引導(dǎo)加載程序有時(shí)稱為第二階段引導(dǎo)加載程序（例如，Linux 應(yīng)用程序的 U-boot）。它用于設(shè)置系統(tǒng)和加載其余軟件，如操作系統(tǒng)和文件系統(tǒng)。它還可以執(zhí)行系統(tǒng)初始化，并通過(guò)引導(dǎo) ROM 或硬件尚未本機(jī)支持的外圍設(shè)備繼續(xù)引導(dǎo)過(guò)程。

引導(dǎo)加載程序初始化后，系統(tǒng)可以開始處理基本中斷和簡(jiǎn)單的操作任務(wù)。

內(nèi)核操作系統(tǒng)和/或文件系統(tǒng)：這是一個(gè)可選步驟，具體取決于系統(tǒng)。如果嵌入式系統(tǒng)使用操作系統(tǒng)或文件系統(tǒng)，則還需要將這些軟件組件加載到 RAM 內(nèi)存中。由于操作系統(tǒng)和文件系統(tǒng)的軟件尺寸較大，因此系統(tǒng)完成此步驟并在完全操作模式下運(yùn)行需要更長(zhǎng)的時(shí)間。

加載完所有軟件組件后，用戶應(yīng)用程序可以開始運(yùn)行：一個(gè)常見的用例是使用 Flash 存儲(chǔ)第二階段引導(dǎo)加載程序以及操作系統(tǒng)和文件系統(tǒng)軟件。引導(dǎo)加載程序啟動(dòng)后，系統(tǒng)功能有限，并繼續(xù)引導(dǎo)過(guò)程以加載操作系統(tǒng)和文件系統(tǒng)。

不同目標(biāo)應(yīng)用中的優(yōu)先級(jí)

在決定用于啟動(dòng)嵌入式系統(tǒng)的閃存類型之前，請(qǐng)考慮目標(biāo)應(yīng)用程序要求和用戶期望。表1總結(jié)了不同細(xì)分市場(chǎng)的首要任務(wù)。

表 1.應(yīng)用程序優(yōu)先級(jí)因細(xì)分市場(chǎng)而異。

對(duì)于汽車和工業(yè)應(yīng)用，首要任務(wù)如下：

功能安全：功能安全是關(guān)于消除由于電子系統(tǒng)故障行為引起的危害而導(dǎo)致的不合理風(fēng)險(xiǎn)。這是設(shè)計(jì)汽車或工業(yè)應(yīng)用時(shí)的主要考慮因素。選擇在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮功能安全的設(shè)備有助于實(shí)現(xiàn)所需的汽車或工業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)，如 ISO 26262。在需要高級(jí)功能安全的情況下，使用專為功能安全而設(shè)計(jì)的設(shè)備至關(guān)重要。

可靠性：當(dāng)使用閃存設(shè)備存儲(chǔ)啟動(dòng)代碼時(shí)，必須在產(chǎn)品使用壽命內(nèi)的每次上電時(shí)可靠地讀取正確的數(shù)據(jù)。Flash 的數(shù)據(jù)保留時(shí)間對(duì)于通常靜態(tài)的引導(dǎo)加載程序代碼非常重要。對(duì)于手機(jī)等消費(fèi)類產(chǎn)品，預(yù)期的壽命較短。但是，對(duì)于汽車和工業(yè)應(yīng)用，閃存設(shè)備必須持續(xù)使用15年以上，并且需要在系統(tǒng)的整個(gè)生命周期內(nèi)保持?jǐn)?shù)據(jù)完整性。

安全性：隨著設(shè)備繼續(xù)互連，數(shù)據(jù)安全性變得越來(lái)越重要。具有強(qiáng)大安全技術(shù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可以保護(hù)關(guān)鍵內(nèi)容，例如專有信息和商業(yè)機(jī)密。較新的閃存設(shè)備提供不同級(jí)別的安全性，以保護(hù)數(shù)據(jù)不被覆蓋、意外擦除和復(fù)制到克隆設(shè)備。通過(guò)加密和其他加密技術(shù)，F(xiàn)lash 設(shè)備可用于受信任的引導(dǎo)鏈。

性能：引導(dǎo)設(shè)備的性能直接影響系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間和操作，特別是在必須保證系統(tǒng)在通電后的一定時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)和運(yùn)行的應(yīng)用中。對(duì)于用于啟動(dòng)的閃存設(shè)備，性能因素不僅與從設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)的速度有關(guān)，還與設(shè)備本身通過(guò)系統(tǒng)電源初始化的速度有關(guān)。

耐用性：閃存器件中的耐久性定義了存儲(chǔ)器在保持其指定保留時(shí)間的同時(shí)可以編程和擦除的次數(shù)。對(duì)于許多嵌入式系統(tǒng)，數(shù)據(jù)必須可靠多年，即使閃存被反復(fù)讀取、擦除和編程。

雖然 NOR 閃存和 SLC NAND 通常具有 10K 至 100K 范圍的耐久周期，但 MLC NAND 可能只有 5K 周期或更少。TLC NAND甚至可以提供數(shù)百個(gè)周期。通常，閃存單元密度越大，在永久單元故障之前可以執(zhí)行的擦除和寫入就越少。

非專利閃存、固態(tài)混合固態(tài)顯示器、電子微處理器和超壓離子的比較

根據(jù)其基礎(chǔ)技術(shù)的性質(zhì)，每種類型的Flash設(shè)備都具有可能適合一種應(yīng)用而不適用于另一種應(yīng)用的特性。表2提供了與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)的特性的比較。

表 2.嵌入式系統(tǒng)中使用的不同閃存類型的比較。

表中提到的一些因素通常是眾所周知的，例如密度、支持的溫度范圍和讀取帶寬。根據(jù)特定的引導(dǎo)加載程序，設(shè)計(jì)人員可以選擇合適的引導(dǎo)設(shè)備。例如，如果引導(dǎo)加載程序大小非常大，則需要更大的設(shè)備來(lái)存儲(chǔ)這樣的引導(dǎo)加載程序。然而，大多數(shù)引導(dǎo)加載程序，如u-boot，都是以兆字節(jié)為單位的，并且完全在NOR閃存的密度范圍內(nèi)。這意味著用戶可能有許多選擇需要考慮。

其他需要考慮的重要因素包括器件初始化時(shí)間、XIP 功能和數(shù)據(jù)可靠性。

設(shè)備初始化：這是設(shè)備通電和它可以可靠地輸出數(shù)據(jù)之間的時(shí)間。如果系統(tǒng)需要非?？斓膯?dòng)時(shí)間，則初始化時(shí)間可能是一個(gè)重要因素。如果系統(tǒng)需要直接從閃存執(zhí)行代碼（即，而不是重影到RAM），則在NOR閃存上運(yùn)行是唯一合適的選擇，如下所示。

原位 XIP：XIP 功能使系統(tǒng)能夠減少昂貴的 RAM 大小。處理器可以直接從 NOR 閃存設(shè)備執(zhí)行，而不是將代碼重影到 RAM。這種方法可以減少處理器支持DRAM器件所需的引腳數(shù)量，從而顯著降低PCB和整體系統(tǒng)成本。

引導(dǎo)要求

不同的應(yīng)用程序?qū)σ龑?dǎo)有不同的要求。在這里，我們從汽車應(yīng)用中選擇一個(gè)示例來(lái)討論特定的啟動(dòng)要求。

圖2所示為典型的汽車系統(tǒng)。所有子系統(tǒng)都通過(guò)CAN總線或其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議連接。

圖 2：汽車系統(tǒng)的框圖。

在汽車應(yīng)用中，CAN總線的啟動(dòng)要求為100 ms。這意味著子系統(tǒng)ECU（電子控制器單元）必須能夠在POR之后的100 ms內(nèi)回復(fù)CAN消息。如果子系統(tǒng)無(wú)法在 100 ms 內(nèi)啟動(dòng)，則可能會(huì)錯(cuò)過(guò)關(guān)鍵的 CAN 報(bào)文，這是不可接受的結(jié)果。在設(shè)計(jì)汽車子系統(tǒng)時(shí)，除了汽車應(yīng)用的所有常見要求（如功能安全、溫度范圍等）之外，快速啟動(dòng)時(shí)間是一項(xiàng)重要要求。

對(duì)于需要非?？斓膯?dòng)時(shí)間的應(yīng)用，例如上圖所示的汽車外殼，需要快速存儲(chǔ)器作為啟動(dòng)設(shè)備。可能犯的一個(gè)錯(cuò)誤是將快速讀取帶寬與快速啟動(dòng)時(shí)間相關(guān)聯(lián)，因?yàn)檫@只關(guān)注將代碼和數(shù)據(jù)從啟動(dòng)閃存移動(dòng)到RAM所需的時(shí)間。但是，如果考慮到設(shè)備初始化時(shí)間和引導(dǎo)加載程序大小，很明顯，從引導(dǎo)閃存讀取時(shí)間不是引導(dǎo)序列中的主要瓶頸。

現(xiàn)代 NOR 閃存設(shè)備（如賽普拉斯的森珀 NOR 閃存）提供快速初始化時(shí)間和高帶寬，以最大限度地減少啟動(dòng)。當(dāng)森帕 NOR 在八進(jìn)制或超總線總線協(xié)議中與 JEDEC xSPI 接口一起使用時(shí)，其帶寬可能高達(dá) 400 MB/s?？紤]到典型的 U 型引導(dǎo)大小介于 1 MB 到 2 MB 之間，400 MB/s 的讀取帶寬轉(zhuǎn)換為 5 ms 讀取時(shí)間，再加上 Semper NOR 閃存的最大 300 μs 器件初始化時(shí)間。與此相比，eMMC 初始化時(shí)間約為 100 毫秒，UFS 初始化時(shí)間為 50 毫秒。使用森帕 NOR 閃存的整個(gè)系統(tǒng)啟動(dòng)明顯低于汽車 100 ms 啟動(dòng)要求。NOR 閃存設(shè)備也符合 ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)，并且符合 ASIL-B 標(biāo)準(zhǔn)。

在某些應(yīng)用中，例如工業(yè)或物聯(lián)網(wǎng)，希望直接在閃存設(shè)備（XIP）上執(zhí)行，而不是將引導(dǎo)加載程序復(fù)制到RAM。將其與使用 eMMC 進(jìn)行存儲(chǔ)并使用 LPDDR2 RAM 執(zhí)行代碼的存儲(chǔ)和下載啟動(dòng)方案進(jìn)行比較。DRAM的寬數(shù)據(jù)總線需要多層PCB設(shè)計(jì)才能適應(yīng)。如果處理器直接在 NOR 閃存上運(yùn)行 XIP，例如使用 x8 八通道 SPI 閃存，則針腳數(shù)量會(huì)顯著減少（參見圖 3）。結(jié)果是節(jié)省了多達(dá)2至4層的PCB設(shè)計(jì)，從而降低了整體系統(tǒng)成本。

圖 3.使用諾睿閃存作為 XIP 設(shè)備。

如前所述，汽車和工業(yè)應(yīng)用要求閃存設(shè)備能夠可靠地運(yùn)行超過(guò) 15 年，并保持存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的完整性。通常，單線互連器件和 MLC NAND 的誤碼率比 NOR 器件差。位錯(cuò)誤可能發(fā)生在寫入存儲(chǔ)器陣列時(shí)，或由讀取干擾或其他因素引起的電子泄漏。為了補(bǔ)償丟失數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)，NAND器件中需要高度的ECC校正方案。原始 SLC NAND 設(shè)備甚至可能需要在主機(jī)端使用 ECC 功能。eMMC有自己的控制器來(lái)處理這些功能。SLC NAND 和 eMMC 器件中對(duì)糾錯(cuò)和壞塊管理的需求增加了整體系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。這也是滿足功能安全和數(shù)據(jù)可靠性要求的重要考慮因素。

NOR閃存可以提供這些類型的應(yīng)用所需的耐用性。例如，在森佩爾 NOR 閃存中實(shí)施的 EnduraFlex 技術(shù)可在 512 Mb 密度設(shè)備中提供超過(guò) 100 萬(wàn)次循環(huán)的耐久性，在 1 Gb 設(shè)備中提供超過(guò) 250 萬(wàn)次循環(huán)的耐久性。還可以對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行分區(qū)和預(yù)配，使其具有高耐用性和較長(zhǎng)的保留時(shí)間區(qū)域，從而保證 25 年的數(shù)據(jù)完整性。因此，單個(gè)NOR閃存設(shè)備能夠靈活地將引導(dǎo)加載程序代碼和文件系統(tǒng)代碼存儲(chǔ)在單個(gè)設(shè)備上，這兩者都是保留和耐久性要求的兩端;即，開發(fā)人員可以為引導(dǎo)加載程序代碼配置長(zhǎng)保留區(qū)域，同時(shí)將其他內(nèi)存區(qū)域保留為文件系統(tǒng)的高耐久性區(qū)域。

總之，盡管SLC NAND、eMMC和UFS的每比特成本較低，但NOR閃存器件仍然是嵌入式系統(tǒng)引導(dǎo)設(shè)備的最佳選擇，特別是在需要非?？煜到y(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間的應(yīng)用中。NOR閃存技術(shù)提供重要的可靠性特性，如快速初始化時(shí)間、XIP功能以及配置長(zhǎng)保留期和高耐久性區(qū)域的靈活性，正迅速成為需要快速可靠啟動(dòng)的系統(tǒng)的首選非易失性存儲(chǔ)器。

審核編輯：郭婷