隨著物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)變得越來(lái)越強(qiáng)大，處理要求可能會(huì)提升到全新的水平，需要 Linux 等完全嵌入式操作系統(tǒng) (OS) 才能正確管理所有正在運(yùn)行的復(fù)雜任務(wù)。雖然將此代碼存儲(chǔ)在閃存 microSDHC 卡上很方便，但大多數(shù)閃存 microSDHC 卡僅適用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)而非操作系統(tǒng)存儲(chǔ)，不過(guò)供應(yīng)商已經(jīng)提出了一些創(chuàng)新的解決方案。

本文介紹了嵌入式操作系統(tǒng)的作用，以及為何將操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序代碼同時(shí)放在物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中的 microSDHC 閃存卡上通常是明智之舉；然后解釋了閃存卡的性能下降模式，以及操作系統(tǒng)如何受到這種性能下降現(xiàn)象的特別影響；接下來(lái)展示了設(shè)計(jì)人員如何通過(guò)新的閃存實(shí)施辦法來(lái)克服這種性能下降，從而確保物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的實(shí)施高效且可靠。

為何使用嵌入式操作系統(tǒng)

對(duì)于某些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而言，可在遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行的預(yù)處理越多，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)需要傳輸回中央集線器的數(shù)據(jù)就越少，這樣可釋放網(wǎng)絡(luò)帶寬。經(jīng)過(guò)預(yù)測(cè)試的嵌入式操作系統(tǒng)可通過(guò)有效處理大量單獨(dú)任務(wù)來(lái)支持復(fù)雜的預(yù)處理，并以可預(yù)測(cè)（確定性）的方式處理多重任務(wù)。當(dāng)然，這將對(duì)微控制器提出額外的要求，需要更快的時(shí)鐘速度，更重要的是，需要更多的程序存儲(chǔ)器。

商業(yè)或開(kāi)源成品嵌入式操作系統(tǒng)的另一優(yōu)勢(shì)在于采用經(jīng)預(yù)測(cè)試的可靠代碼，很少需要更新。例如，可用的嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)可能只是每季度更新一次，或是僅安裝緊急安全補(bǔ)丁。嵌入式操作系統(tǒng)和所需應(yīng)用程序代碼可能需要 8 Gb 或更多的存儲(chǔ)空間，由于操作系統(tǒng)很少更新，因此將操作系統(tǒng)存儲(chǔ)在由技術(shù)人員手動(dòng)（物理）更新的 microSDHC 閃存卡上會(huì)更方便。這也適用于未來(lái)的內(nèi)存擴(kuò)展，因?yàn)橄麓渭夹g(shù)人員訪問(wèn)時(shí)，現(xiàn)有的 4 GB 閃存卡可以根據(jù)需要輕松更換為 8 Gb 或容量更大的卡（圖 1）。

圖 1：Swissbit Class 10 microSDHC S-140u 存儲(chǔ)卡支持高達(dá) 104 Mb/s 的速度，足夠用于高速訪問(wèn)程序存儲(chǔ)器。

與通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)更新的閃存相比，在手動(dòng)更新的 microSDHC NAND 閃存卡上存儲(chǔ)千兆字節(jié)的嵌入式操作系統(tǒng)具有多個(gè)優(yōu)勢(shì)。在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)所使用的仲裁方案，更新 4 GB 或更大的嵌入式操作系統(tǒng)可能會(huì)導(dǎo)致從操作通信中竊取無(wú)線帶寬。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)更新還需要一個(gè)兩倍于正常容量的 microSDHC 卡，因?yàn)樾枰銐虻拇鎯?chǔ)空間來(lái)運(yùn)行操作系統(tǒng)和容納傳入的更新。

由于無(wú)線電活動(dòng)以及更高的閃存寫(xiě)入電壓和功率要求，通過(guò)無(wú)線方式更新閃存代碼也會(huì)縮短電池壽命。

與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)相比，從閃存執(zhí)行的嵌入式操作系統(tǒng)對(duì)閃存單元也提出了不同的要求。大多數(shù)商用閃存 microSDHC 卡都是制造商設(shè)計(jì)用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的。最常見(jiàn)的商業(yè)用途是移動(dòng)設(shè)備的多媒體存儲(chǔ)。雖然視頻、圖像或音頻文件中的多個(gè)位錯(cuò)誤可能會(huì)被最終用戶忽視，但關(guān)鍵嵌入式操作系統(tǒng)文件中只要有一個(gè)位錯(cuò)誤，就可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障。

閃存的使用壽命有限制。對(duì)閃存陣列的每次寫(xiě)入操作都會(huì)縮短陣列的壽命。每個(gè)半導(dǎo)體閃存規(guī)范列出了有限數(shù)量的擦寫(xiě)周期。隨著閃存單元接近規(guī)定的限制，單元磨損并且不接受新編程狀態(tài)的可能性變得越來(lái)越大。

磨損均衡是防止由于寫(xiě)入操作引起閃存陣列性能下降的一種常見(jiàn)方法。寫(xiě)入并非寫(xiě)入相同的閃存位置，而是均勻地分布在整個(gè)閃存半導(dǎo)體存儲(chǔ)器陣列上，確保寫(xiě)入內(nèi)容在閃存矩陣中均勻分布。通過(guò)磨損均衡，當(dāng)微控制器寫(xiě)入物理存儲(chǔ)器中的單個(gè)位置時(shí)，閃存控制器可以將該位置映射到閃存陣列中的不同位置。

讀取干擾錯(cuò)誤如何發(fā)生

操作系統(tǒng)文件的訪問(wèn)頻率比數(shù)據(jù)文件要高得多，因此無(wú)法容忍文件位錯(cuò)誤。在某些情況下，核心操作系統(tǒng)文件可能會(huì)被不斷讀取，進(jìn)而在閃存陣列中引入位錯(cuò)誤。

閃存以塊的形式排列，每個(gè)塊包含許多頁(yè)。對(duì)存儲(chǔ)器來(lái)說(shuō)，塊是可擦除的最小部分，而頁(yè)是可讀取或編程的最小部分。閃存塊的一般大小為 256 KB，每個(gè)塊可包含 64 頁(yè)，每頁(yè) 4 KB。每個(gè)頁(yè)還包括額外的 64 個(gè)字節(jié)，用于糾錯(cuò)碼 (ECC)、擦除計(jì)數(shù)和到物理轉(zhuǎn)換信息的邏輯。

在一頁(yè)數(shù)據(jù)的閃存讀取操作期間，即使頁(yè)中僅有一個(gè)字節(jié)需要讀取，也會(huì)對(duì)頁(yè)所屬的整個(gè)塊施加較小的讀取電壓。由于閃存處理單元技術(shù)，也會(huì)在塊中的周圍頁(yè)內(nèi)產(chǎn)生較小的電壓。這可以將電子注入到單元絕緣層中，類似于對(duì)單元進(jìn)行編程，這就是它被稱為“軟編程”的原因。將較小的讀取電壓重復(fù)施加到同一個(gè)塊可能最終干擾非正在讀取的閃存頁(yè)的編程。隨著時(shí)間的推移，這可能導(dǎo)致將相鄰單元的狀態(tài)改為不同的值。

雖然大多數(shù) NAND 閃存 microSDHC 卡都有某種形式的糾錯(cuò)功能來(lái)糾正單元錯(cuò)誤，但由軟編程引起的錯(cuò)誤數(shù)量可能很多，以至于達(dá)到無(wú)法糾正的臨界水平，從而導(dǎo)致微控制器從位位置讀取不同的值，造成文件損壞錯(cuò)誤。這些位錯(cuò)誤稱為讀取干擾錯(cuò)誤。

用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的 NAND 閃存 microSDHC 卡很少出現(xiàn)讀取干擾錯(cuò)誤。在閃存陣列上執(zhí)行寫(xiě)入操作時(shí)，磨損均衡操作過(guò)后，閃存位置被重新編程，因此消除了任何軟編程影響。但是，用于嵌入式操作系統(tǒng)的閃存陣列很少編程，這使得讀取干擾錯(cuò)誤成為現(xiàn)實(shí)。

單階存儲(chǔ)單元 (SLC) 閃存卡的額定讀取次數(shù)為一百萬(wàn)次，多階存儲(chǔ)單元 (MLC) 閃存卡在讀取干擾錯(cuò)誤發(fā)生之前的額定讀取次數(shù)為 100,000 次。對(duì)于數(shù)據(jù)閃存，讀取干擾錯(cuò)誤被認(rèn)為非常罕見(jiàn)，以至于規(guī)格書(shū)中通常不指定這些數(shù)字。

使用 RDM 防止讀取干擾錯(cuò)誤

為了防止讀取干擾錯(cuò)誤，Swissbit 開(kāi)發(fā)了一種稱為讀取干擾管理 (RDM) 的功能。在 Swissbit 的 RDM 中，閃存卡控制器會(huì)跟蹤每個(gè)閃存塊的讀取操作次數(shù)。當(dāng)塊達(dá)到內(nèi)部定義的讀取操作次數(shù)時(shí)，控制器將數(shù)據(jù)移動(dòng)到新塊，類似用于寫(xiě)入操作的磨損均衡。如有必要，在對(duì)新塊進(jìn)行寫(xiě)入操作期間，SD 控制器的糾錯(cuò)碼 (ECC) 會(huì)糾正任何損壞的數(shù)據(jù)。

Swissbit 的 SFSD8192N1BM1MT-I-QG-221-STD 8 GB S-450u UHS-I Class 10 microSDHC 閃存卡中已實(shí)施 RDM。S-450u 專為使用嵌入式操作系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，具有許多復(fù)雜的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序代碼所需的足夠空間。在 SDR104 模式下，S-104u 可支持高達(dá) 104 Mb/s 的數(shù)據(jù)訪問(wèn)速度。

使用 microSDHC 卡執(zhí)行程序存儲(chǔ)器

如前所述，microSDHC 卡通常僅用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，因此大多數(shù) Harvard 架構(gòu)微控制器上的外設(shè)僅支持訪問(wèn)作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的 microSDHC 卡。這限制了可用選項(xiàng)。

現(xiàn)有解決方案會(huì)讀取 microSDHC 卡并將程序存儲(chǔ)器加載到 RAM 中，然后從 RAM 中執(zhí)行。RAM 芯片不僅增加了電路板的成本，而且程序擴(kuò)展僅限于 PC 板上可用的板載 RAM 數(shù)量。

MicroSDHC 卡能夠在 SD 模式或 SPI 模式下連接。

要將微控制器連接到作為程序存儲(chǔ)器的 S-450u microSDHC 卡，所選的微控制器需要支持兩種 microSDHC 總線協(xié)議之一：

圖 2：使用 SD 模式連接 microSDHC 卡時(shí)，使用一個(gè)簡(jiǎn)單的六信號(hào)接口，以提供最快的內(nèi)存訪問(wèn)速度。

映射到程序存儲(chǔ)器的 SDHC 卡 SD 模式控制器外設(shè)（圖 2）。此外設(shè)可以是外部外設(shè)，也可以是內(nèi)部微控制器外設(shè)。接口由六個(gè)信號(hào)組成：四位數(shù)據(jù) (DAT[0-3])、一個(gè)時(shí)鐘 (CLK) 和一個(gè)雙向指令/響應(yīng)信號(hào) (CMD)。數(shù)據(jù)一次傳輸四位，并提供最快的程序執(zhí)行速度。主機(jī)控制器或微控制器為 microSDHC 卡提供時(shí)鐘。

一個(gè)可配置 SPI 接口，支持芯片內(nèi)執(zhí)行 (XIP)?？赏ㄟ^(guò)在 SPI 模式下訪問(wèn) microSDHC 卡來(lái)執(zhí)行卡中的代碼，提供快速數(shù)據(jù)傳輸，但傳輸速度不如 SDHC 卡模式。XIP 存儲(chǔ)器將卡的存儲(chǔ)器映射到微控制器的程序存儲(chǔ)器空間，使得 microSDHC 卡訪問(wèn)對(duì)主機(jī)固件保持透明。

microSDHC 卡在 SD 卡模式下啟動(dòng)。要選擇單位 SPI 模式，在開(kāi)機(jī)后的前六個(gè)時(shí)鐘，DAT3 信號(hào)必須上拉至 VDD，同時(shí)通過(guò)將 CMD 下拉至 VSS 發(fā)送 RESET（復(fù)位）命令 (000000b) 至卡。此后，卡將保持 SPI 模式，直至關(guān)機(jī)。

Maxim Integrated 的 MAX32652 Arm? Cortex?-M4F 微控制器是專為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的低功耗微控制器。它有一個(gè)片載 QSPI XIP 接口，如果配置正確，能夠執(zhí)行 microSDHC 卡的代碼。

MAX32652 還有一個(gè)完整的 SDHC 接口，主要用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)。

需要注意的是，微控制器的這些接口必須是程序存儲(chǔ)器接口。無(wú)論使用何種總線協(xié)議或接口，微控制器都需要包含一些片載閃存啟動(dòng)代碼，以便初始化 microSDHC 卡的接口。

插座安全

用于工業(yè)應(yīng)用 microSDHC 卡的插座經(jīng)常被忽視。對(duì)于要求堅(jiān)固耐用的應(yīng)用，錫或類似觸頭材料會(huì)隨著時(shí)間的推移而變色或失去其拉伸強(qiáng)度。金觸點(diǎn)雖然價(jià)格稍貴，但是能提供穩(wěn)固的觸頭連接，確保其拉伸強(qiáng)度不會(huì)隨時(shí)間改變，因此物有所值。

Amphenol ICC 的 10101704J6#2A 通用閃存 (UFS) 和 microSDHC 連接器/插座可為任何 microSDHC 兼容卡提供穩(wěn)固的連接（圖 3）。該插座具有防磕碰觸點(diǎn)，可防止存儲(chǔ)卡在插拔過(guò)程中卡住。

圖 3：10101704J6＃2A UFS 和 microSDHC 卡連接器/插座支持現(xiàn)有的 microSDHC 和下一代 UFS 卡，數(shù)據(jù)傳輸速度高達(dá) 6 Gb/s。

此 Amphenol 插座兼容新的通用閃存 (UFS) 格式，因此還支持未來(lái)擴(kuò)展，UFS 外形尺寸與 microSDHC 類似，但觸點(diǎn)封裝不同（圖 4）。UFS 卡具有差分雙向數(shù)據(jù)傳輸功能，支持兩倍于 microSDHC 的傳輸速度。

圖 4：左側(cè)是 microSDHC 卡，右側(cè)是新的 UFS 卡。UFS 卡具有差分雙向數(shù)據(jù)傳輸功能，支持兩倍于 microSDHC 的傳輸速度。

一些聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)可能位于 Wi-Fi 不可用或不實(shí)用的遠(yuǎn)程位置。對(duì)于上述情況，可通過(guò)無(wú)線蜂窩數(shù)據(jù)連接來(lái)執(zhí)行聯(lián)網(wǎng)。這需要使用一張用戶 SIM 卡，該 SIM 卡也需要插入。

節(jié)省電路板空間的一個(gè)簡(jiǎn)單方法是使用 microSDHC 和 SIM 卡插座組合，如 Molex 的 1041681620 雙插座，同時(shí)支持 SIM 卡和 microSDHC 卡（圖 5）。該插座還具有金觸點(diǎn)，可在惡劣環(huán)境中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)固的連接，并采用防磕碰觸點(diǎn)。

圖 5：1041681620 組合 SIM 卡和 microSDHC 卡插座可顯著減少板空間，提供防磕碰觸點(diǎn)，防止插拔錯(cuò)誤。

總結(jié)

雖然閃存 microSDHC 卡過(guò)去常用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，但目前正在尋求改進(jìn)，以支持嵌入式操作系統(tǒng)在芯片內(nèi)執(zhí)行程序存儲(chǔ)器的獨(dú)特需求。此演進(jìn)過(guò)程的一部分包括開(kāi)發(fā)可支持持續(xù)讀取請(qǐng)求的更快閃存。此外，微控制器正在演進(jìn)，以支持可從外部 microSDHC 卡可靠執(zhí)行代碼的新存儲(chǔ)器接口，同時(shí)減少或消除閃存錯(cuò)誤。