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移动电话中的存储技术

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摘要:本文主要介绍了移动电话中的存储技术,包括电池支持的RAM,电磁媒质,NOR闪存,NAND闪存和DiskOnChip,并对它们的应用前景做了分析。

  关键词:非易失性存储 NOR NAND DiskOnChip

  1.引言

  3G或者未来的4G移动电话,以多媒体报文,视频流等应用为特征,对内存的要求将上升到好几百兆。这个变化扩大了对非易失性存储系统(如2G中的SRAM,NOR闪存等)的需求。将来对移动电话中的非易失性存储系统的要求是:更高的容量,16~64MB;良好的读写性能;高可靠性;低电源消耗;基于文件的存储;体积小;更小的系统、更小的材料清单(BOM)和更低的开发成本。

  这些需求主要由高端用户,生产商和运营商推动。用户需要的是体积更小,电池使用寿命更长,性能更好,可以进行商业活动和娱乐的电话。生产商则希望降低成本,使用更复杂的操作系统,可以安全地启动和运行,因此希望无错地存储代码和数据。从运营商的观点看,由于ARPU值不断下降,他们希望提供更多以数据为中心的业务来增加收入,这也需要更大的存储空间。

  2.存储技术

  当选取非易失性存储解决方案时,移动系统的设计者有许多选择。第一,是否要将代码和数据分开存储,如果分开,是各自使用不同的技术还是使用同样的技术不同的设备。分开存储是更安全的选择,是对传统的嵌入式存储解决方案的简单扩展。对于小系统来说,这便于运行,在开发方面有优势。缺点是增加设备的数量将影响成本,大小和电源消耗,存储容量越大,影响就越大。

现有的几种技术是:电池支持的RAM,电磁媒质,NOR闪存,NAND闪存和DiskOnChip。

  2.1电池支持的RAM和电磁媒质

  电池支持的RAM提供高速的随机读写接入,它比较昂贵,体积大,而且需要连续供电。尽管这项技术在PDA中使用很广泛,但是,从用户的角度看,这种设备体积大,也比较重,还需要每天进行充电以免数据丢失。当需要大量存储时,可以选择电磁媒质,如小型磁盘。但是即使对PDA来说其体积也显得稍大,它仅在便携式嵌入式系统如数据记录器中使用。因此,对移动电话来说,选用这两种技术的可能性都不是很大。

  2.2 NOR技术

  NOR是一种较好的选择,这是一种可靠的技术,它在嵌入式系统中有很长的使用历史,主要用于代码的存储,多数设计者都比较熟悉。如图1所示,它有基于地址和数据总线的接口。因此,在进行读写操作时,不会发生错误。它提供了很好的读的性能,可以随机接入,可以“现场运行”(XIP)。如果将其扩展到存储用户数据,这样非常简单,但是当处理变得复杂时,就有许多问题需要考虑。
首先,不可能仅是简单地写入数据到NOR闪存。在写入之前,必须先将擦写NOR闪存设备的目标位置。然而,当NOR闪存设备被组成“可擦写的块”时,擦写不是按字节进行的,而是将整个块都擦掉。这对代码存储来说很方便,先将整个设备都擦写,然后重新进行编程,但是对数据存储来说,这是一个比较麻烦的问题。

  闪存擦写是一个比较耗时的处理过程。一般来说,一个块的擦写时间为100ms到几秒,读一个字节约为100ns,写一个字节用10~20ms。只有采用新的算法,能够识别数据中的新项,才能加速这个处理过程。

  一个擦写块可进一步分为编程块。当擦掉后,所有的比特位处于“1”状态,写数据仅将一些比特变为“0”态,剩下的“1”比特位可写,但仅可以变为“0”态。这种方法称为部分编程。这样,一个块可以被部分地擦写多次,实际的次数取决于不同的设备。
NOR闪存设备也有使用寿命,一般是设备可擦写次数的函数。通常是100s或者1000s的倍数。每进行一次擦写之后,下一次的擦写时间就增加了。当一个设备到达其使用寿命时,擦一个块的时间将会超过预期值,会变得很不可靠。因此,为确保设备能够最合理地使用,管理算法应该使擦写块和其他块的老化速度一致。

  2.3 NAND闪存

  NAND闪存是一种比NOR闪存新的技术,许多系统设计者并不熟悉。如图2所示,它的接口更像一个I/O设备,它的存储单元比NOR设备的要小40%,因此在同样大小的设备上有更大的存储量。与NOR不同,NAND设备不是按字节进行编址。内部的单元像链一样串行排列,一般为512字节,这些链可进一步排列成可擦写的块。

  NAND设备的管理与NOR设备类似,但是更复杂。在写入之前,必须首先进行擦写,擦写操作将单元设为“1”状态,写仅仅能够将存储单元设为“0”状态。NAND也可以进行部分编程,设备也有一定的使用寿命,也需要合理的管理算法,使经常擦写的块和其他块的老化速度一致。

  为了达到100%的可靠性,在读时,算法必须进行检错和纠错,这会增加开销。然而,有些应用并不要求100%的可靠性,如图像和语音。因此,NAND可用在媒质卡中,然而,媒质卡的性能一般受到接口的限制。

  对NAND设备来说,512B的读操作耗时25ms,写512B耗时250ms,一个块的擦写需要3ms。NAND设备的耗电量比NOR设备低,进行擦写是最耗电的操作。NAND设备需要几个微安培,而NOR设备则需要几个毫安培的电流。由于NAND设备使用的电流更低,操作时间更短,所以它比NOR设备更省电。NAND设备也可连接到I/O总线,这样会限制其性能,可以通过引入一个NAND控制器来消除这个限制,但是这样做会增加成本。

  3.写性能的重要性

  在2G手机中,写不是一个很重要的部分,数据存储的要求并不是很频繁,因此有足够的时间来完成操作。一般来讲,NOR和NAND闪存都满足它们的存储要求。在3G和4G手机中,写的性能十分重要,非易失性存储技术的选取将是一个十分关键的因素。

  对使用数据库类型操作的应用,如日历和通信联系簿,当编辑一条或者组织数据时,如果操作耗时,会使得用户很不满意。例如,在可拍照的手机中,每幅图片的写入需要10~100s。帧速率,色彩深度和帧大小决定了数据速率。如果这超过了存储设备所能提供的性能,操作将会受到限制。要么减少帧的属性,要么将数据暂时放到内存中,然后再存储在非易失性存储器中。这可以限制持续的流操作,但在写入数据的时候引入了时延。

  操作系统,文件流和开放的标准,有助于不同的应用呈指数型增长,操作环境不再是决定性的,还取决于操作系统和与其他运行的操作系统的相互作用。由于它们在一个系统内的奇异性,需要很小心地管理,以让其性能最优。如果这些资源的处理很慢,不仅会影响使用这些资源的应用,也会潜在影响其他的应用。

  随着设备变满,写入新的数据变得更困难。为此,在进行写操作之前,管理系统首先进行垃圾的收集整理。如果写入操作变得很慢,将会阻碍用户的使用。

  一个可行的解决方案是使用多级单元(MLC)闪存技术。在NOR和NAND技术中,一个存储单元只能存储一个比特,而在MLC中一个单元可以存储2个比特,对同样大小的物理设备来说,这加倍了存储容量,将每个比特的成本减半。由于这种存储方式,MLC的错误率比单级单元要高。由于管理每个单元的控制数量和部分写的特征没有了,数据速率会降低。因此,有人质疑MLC在移动市场中的适用性。然而,随着市场对增加容量和降低成本的需求,由于MLC技术具有的成本优势,使得MLC的采用是必然的。其他的因素只是在工程实现中所需要解决的一些问题。

  最新的非易失性存储方案是DiskOnChipTM技术。顾名思义,闪存具有磁盘的许多性质。其核心使用最新的非易失性存储媒质,用一个小控制器保证硬件接口兼容性和可靠性。现在,DiskOnChipTM是基于NAND技术的,因为它是能提供高容量的技术。控制器提供了许多与NOR类似的接口,这保证了它的兼容性。使用基于闪存管理的TrueFFS技术,控制器也可以管理NAND的错误问题。到目前为止,DiskOnChipTM是唯一支持多级单元的NAND设备,它比使用标准的NAND设备有更低的成本。

  使用NAND的一个缺点是它不支持XIP,这要求它使用一个额外的非易失性设备作为启动ROM(类似计算机的BIOS和硬盘)。DiskOnChip提供了一个内置的XIP启动模块,使它可以作为非易失性存储设备。通过消除启动ROM,可以进一步降低成本。
另一个挑战是软件综合。使用TrueFFS闪存管理和文件系统软件,可以将闪存变成磁盘一样的设备。在多数移动操作系统,如Symbian OS, Microsoft OS, Linux和 Palm中,都提供了开发工具。

  当移动电话不使用时,使用一种深度省电模式可以进一步减少电源的消耗,延长电池的使用寿命。

  4.结束语

  随着对快速、可靠和高容量手机的需求,手机的体积和成本变得日益重要,NAND闪存和Chip-based 磁盘可以作为非易失性存储系统的解决方案。MLC NAND的引入是因为它与NOR相比有成本和体积的优势。然而,NOR闪存仍将在以语音为中心的手机中扮演一个主要角色,在其他的移动应用中它也占有一席之地。

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