用于嵌入式系統(tǒng)引導(dǎo)的閃存設(shè)備比較

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)和其他在系統(tǒng)斷電時(shí)仍然存在的數(shù)據(jù)。今天，閃存在大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)中都扮演著這個(gè)角色。鑒于需要 Flash 的應(yīng)用程序范圍廣泛，因此有多種架構(gòu)和功能集可以滿足應(yīng)用程序的不同要求。

常見(jiàn)的閃存技術(shù)包括并行或 SPI NOR 閃存、SLC NAND 和 eMMC 設(shè)備。最近，通用閃存 （UFS） 也成為了一種選擇。本文探討了這些不同類(lèi)型閃存在嵌入式系統(tǒng)引導(dǎo)環(huán)境中的優(yōu)缺點(diǎn)。

嵌入式系統(tǒng)啟動(dòng)的復(fù)雜性

從外部的角度來(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)序列的各個(gè)階段。

通常，嵌入式系統(tǒng)啟動(dòng)序列（參見(jiàn)圖 1）包括以下步驟：

上電或硬件復(fù)位：這是啟動(dòng)嵌入式系統(tǒng)的第一步。它可以打開(kāi)系統(tǒng)電源或觸發(fā)系統(tǒng)的硬件重置。從此時(shí)開(kāi)始，系統(tǒng)開(kāi)始執(zhí)行代碼。

Boot ROM 或 Bootstrapped：內(nèi)核跳轉(zhuǎn)到復(fù)位向量并嘗試執(zhí)行第一個(gè)代碼。一些處理器有一個(gè)小的內(nèi)部引導(dǎo) ROM，可以在制造時(shí)進(jìn)行編程。Boot 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。boot 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 NOR 或 NAND 閃存設(shè)備中。

某些處理器可以引導(dǎo)以直接執(zhí)行來(lái)自外部閃存設(shè)備的代碼。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>

Bootloader XIP 或 Shadowing：為了讓處理器執(zhí)行代碼，隨機(jī)訪問(wèn)代碼存儲(chǔ)空間是必要的。如果使用 NOR Flash 設(shè)備存儲(chǔ)引導(dǎo)加載程序，處理器可以直接從 Flash 設(shè)備運(yùn)行。這種方法通常稱為就地執(zhí)行 （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。這種方法稱為陰影或存儲(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，用于 Linux 應(yīng)用程序的 U-boot）。它用于設(shè)置系統(tǒng)并加載剩余的軟件，例如操作系統(tǒng)和文件系統(tǒng)。它還可以通過(guò)引導(dǎo) ROM 或硬件尚未原生支持的外圍設(shè)備執(zhí)行系統(tǒng)初始化并繼續(xù)引導(dǎo)過(guò)程。

引導(dǎo)加載程序初始化后，系統(tǒng)可以開(kāi)始處理基本的中斷和簡(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)，這些軟件組件也需要加載到 RAM 內(nèi)存中。由于操作系統(tǒng)和文件系統(tǒng)的軟件體積較大，系統(tǒng)完成此步驟并在完全運(yùn)行模式下運(yùn)行需要更長(zhǎng)的時(shí)間。

加載所有軟件組件后，用戶應(yīng)用程序可以開(kāi)始運(yùn)行：一個(gè)常見(jiàn)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)用程序的優(yōu)先級(jí)

在決定用于啟動(dòng)嵌入式系統(tǒng)的閃存類(lèi)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)用優(yōu)先級(jí)因細(xì)分市場(chǎng)而異。

對(duì)于汽車(chē)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)故障行為引起的危險(xiǎn)而導(dǎo)致的不合理風(fēng)險(xiǎn)。這是設(shè)計(jì)汽車(chē)或工業(yè)應(yīng)用時(shí)的主要考慮因素。選擇以功能安全為設(shè)計(jì)理念的設(shè)備有助于實(shí)現(xiàn)所需的汽車(chē)或工業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)，例如 ISO 26262。在需要高級(jí)功能安全的情況下，使用專(zhuān)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)引導(dǎo)代碼時(shí)，在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期內(nèi)，每次上電時(shí)都必須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)于通常是靜態(tài)的引導(dǎo)加載程序代碼很重要。對(duì)于手機(jī)等消費(fèi)產(chǎn)品，預(yù)期壽命很短。但是，對(duì)于汽車(chē)和工業(yè)應(yīng)用，閃存設(shè)備必須使用 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)備的不斷互聯(lián)，數(shù)據(jù)安全變得越來(lái)越重要。采用強(qiáng)大安全技術(shù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可以保護(hù)專(zhuān)有信息和商業(yè)機(jī)密等關(guān)鍵內(nèi)容。較新的閃存設(shè)備提供不同級(jí)別的安全性，以防止數(shù)據(jù)被覆蓋、無(wú)意擦除和復(fù)制到克隆設(shè)備。通過(guò)加密和其他加密技術(shù)，閃存設(shè)備可以用于可信引導(dǎo)鏈。

性能：?jiǎn)?dòng)設(shè)備的性能直接影響系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間和操作，尤其是在必須保證系統(tǒng)在上電后一定時(shí)間內(nèi)正常運(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)，還與系統(tǒng)電源對(duì)設(shè)備本身的初始化速度有關(guān)。

耐用性：閃存設(shè)備中的耐用性定義了存儲(chǔ)器可以被編程和擦除多少次，同時(shí)仍保持其指定的保留時(shí)間。對(duì)于許多嵌入式系統(tǒng)，數(shù)據(jù)必須可靠多年，即使 Flash 被反復(fù)讀取、擦除和編程。

雖然 NOR 閃存和 SLC NAND 通常具有 10K 到 100K 范圍內(nèi)的耐用周期，但 MLC NAND 可能只有 5K 或更少的周期。TLC NAND 甚至只能提供數(shù)百個(gè)周期。通常，閃存單元越密集，在永久單元故障之前可以執(zhí)行的擦除和寫(xiě)入操作就越少。

NOR Flash、SLC NAND、eMMC、UFS的比較

根據(jù)其底層技術(shù)的性質(zhì)，每種類(lèi)型的閃存設(shè)備都具有可能適用于一種應(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)的特性比較。

表 2. 嵌入式系統(tǒng)中使用的不同 Flash 類(lèi)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)加載程序的大小非常大，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，例如 u-boot，都在兆字節(jié)的數(shù)量級(jí)，并且在 NOR 閃存的密度范圍內(nèi)。這意味著用戶可能有很多選擇需要考慮。

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

設(shè)備初始化：這是從設(shè)備上電到能夠可靠輸出數(shù)據(jù)的時(shí)間。如果系統(tǒng)需要非?？斓膯?dòng)時(shí)間，那么初始化時(shí)間可能是一個(gè)重要因素。如果系統(tǒng)需要直接從 Flash 執(zhí)行代碼（即，而不是映射到 RAM），則在 NOR Flash 上運(yùn)行是唯一合適的選擇，如下所示。

eXecute In Place XIP：XIP 功能允許系統(tǒng)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，而不是將代碼映射到 RAM。這種方法可以減少處理器支持 DRAM 設(shè)備所需的引腳數(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)?dòng)有不同的要求。在這里，我們從汽車(chē)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 顯示了一個(gè)典型的汽車(chē)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(chē)系統(tǒng)框圖。

在汽車(chē)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 后 100 毫秒內(nèi)回復(fù) CAN 消息。如果子系統(tǒng)無(wú)法在 100 毫秒內(nèi)啟動(dòng)，它可能會(huì)錯(cuò)過(guò)關(guān)鍵的 CAN 消息，這是不可接受的結(jié)果。在設(shè)計(jì)汽車(chē)子系統(tǒng)時(shí)，除了汽車(chē)應(yīng)用的所有常見(jiàn)要求（如功能安全、溫度范圍等）之外，快速啟動(dòng)時(shí)間是一個(gè)重要要求。

對(duì)于需要非?？斓膯?dòng)時(shí)間的應(yīng)用，例如上述汽車(chē)案例，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)間聯(lián)系起來(lái)，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)間并不是引導(dǎo)序列中的主要瓶頸。

現(xiàn)代 NOR 閃存設(shè)備，例如賽普拉斯的 Semper NOR 閃存，提供快速的初始化時(shí)間和高帶寬，以最大限度地減少啟動(dòng)。當(dāng) Semper NOR 與八通道或 HyperBus 總線協(xié)議中的 JEDEC xSPI 接口一起使用時(shí)，其帶寬可高達(dá) 400 MB/s。考慮到典型的 U-boot 大小在 1 MB 到 2 MB 之間，400 MB/s 的讀取帶寬轉(zhuǎn)換為 5 ms 的讀取時(shí)間，加上 Semper NOR Flash 的最大 300 μs 設(shè)備初始化時(shí)間。將此與大約 100 ms 的 eMMC 初始化時(shí)間和 50 ms 的 UFS 初始化時(shí)間進(jìn)行比較。使用 Semper NOR 閃存的總系統(tǒng)啟動(dòng)明顯低于汽車(chē) 100 毫秒啟動(dòng)要求。NOR 閃存器件還符合 ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)，并符合 ASIL-B。

在工業(yè)或物聯(lián)網(wǎng)等某些應(yīng)用中，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。將此與使用 eMMC 進(jìn)行存儲(chǔ)并使用 LPDDR2 RAM 進(jìn)行代碼執(zhí)行的存儲(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)。如果處理器使用例如 x8 Octal SPI Flash 直接在 NOR Flash 上運(yùn)行 XIP，則引腳數(shù)會(huì)顯著減少（參見(jiàn)圖 3）。結(jié)果是節(jié)省了多達(dá) 2 到 4 層 PCB 設(shè)計(jì)，從而降低了整體系統(tǒng)成本。

圖 3. 使用 NOR Flash 作為 XIP 設(shè)備。

如前所述，汽車(chē)和工業(yè)應(yīng)用要求閃存設(shè)備能夠可靠運(yùn)行 15 年以上并保持存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的完整性。通常，SLC NAND 和 MLC NAND 的誤碼率比 NOR 設(shè)備差。位錯(cuò)誤可能發(fā)生在寫(xiě)入存儲(chǔ)器陣列時(shí)，或由于讀取干擾或其他因素引起的電子泄漏。為了彌補(bǔ)丟失數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)，NAND 設(shè)備需要高度的 ECC 校正方案。原始 SLC NAND 設(shè)備甚至可能需要主機(jī)端的 ECC 功能。eMMC 有自己的控制器來(lái)處理這些功能。SLC NAND 和 eMMC 設(shè)備中對(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 Flash 可以提供這些類(lèi)型的應(yīng)用所需的耐用性。例如，在 Semper NOR 閃存中實(shí)施的 EnduraFlex 技術(shù)在 512 Mb 密度設(shè)備中提供超過(guò) 100 萬(wàn)次的耐久性循環(huán)，在 1 Gb 設(shè)備中提供超過(guò) 250 萬(wàn)次循環(huán)的耐久性。這些設(shè)備還可以進(jìn)行分區(qū)和配置以具有高耐用性和長(zhǎng)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)備能夠靈活地在單個(gè)設(shè)備上存儲(chǔ)引導(dǎo)加載程序代碼和文件系統(tǒng)代碼，同時(shí)滿足保留和耐用性要求；即，開(kāi)發(fā)人員可以為引導(dǎo)加載程序代碼提供長(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，雖然 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)啟動(dòng)設(shè)備的最佳選擇，尤其是在需要非?？斓南到y(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間的應(yīng)用中。憑借 NOR 閃存技術(shù)提供重要的可靠性特性，例如快速初始化時(shí)間、XIP 功能以及配置長(zhǎng)保留和高耐久性區(qū)域的靈活性，它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