Flash存储的故事

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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。

 

 

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。

 

 

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。

 

 

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：

 

 

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。

 

 

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：

 

 

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!