Kai inžinieriai vertina atminties variantus įmontuotoms sistemoms, NAND atmintis nuolat išsiskiria kaip vienas dažniausiai aptarinėjamų pasirinkimų. Pagrindinis klausimas yra ar NAND atmintis tikrai gali tenkinti aukšto greičio duomenų saugojimo reikalavimus įmontuotose aplinkose ar jos savybės sukelia nepriimtinus kompromisus. Trumpas atsakymas – taip: NAND atmintis tinka aukšto greičio įmontuotai saugyklai, tačiau tik tuo atveju, jei naudojama tinkama architektūra, valdiklio logika ir sąsajos konfigūracija. Prieš priimant sprendimą dėl projektavimo būtina suprasti, kaip NAND atmintis veikia realiomis eksploatavimo sąlygomis.
Įdėtieji sistemos apima plačią taikymo sričių – nuo pramoninių valdiklių ir automobilių elektroninių valdymo blokų iki vartotojų IoT įrenginių ir medicinos prietaisų. Kiekvienas taikymas kelia skirtingus reikalavimus NAND atminties elementams, susijusius su skaitymo ir rašymo našumu, ištvirkumu, duomenų išsaugojimo trukme ir patikimumu. Gerai parinktas NAND atminties komponentas gali tvarkyti intensyvius duomenų vežimus, tačiau netinkamas komponento pasirinkimas ar netinkamas sąsajos projektavimas padės įžvelgti NAND atminties technologijos būdingus trūkumus. Šiame straipsnyje nagrinėjama NAND atminties tinkamybė aukšto greičio duomenų saugojimui, remiantis jos pagrindinėmis galimybėmis, praktiniais apribojimais ir projektavimo sąlygomis, kurios leidžia NAND atminčiai pasiekti geriausią našumą.
NAND atminties pagrindiniai našumo bruožai
Skaitymo ir rašymo greičio galimybės
Pagrindu NAND atminties elementai pasiekia konkurencingus skaitymo greičius, kurie juos daro tinkamus daugeliui didelio greičio įterptųjų sistemų. Šiuolaikiniai NAND atminties elementai, sujungti su tinkama pagrindine sąsaja, tokia kaip SPI, QSPI ar lygiagretaus magistralės architektūra, gali užtikrinti nuoseklaus skaitymo našumą, viršijantį kelis šimtus megabaitų per sekundę. NAND atminties elementų skaitymo ciklas paprastai yra greitesnis nei rašymo ciklas, todėl sistemos, kurioms būdingas intensyvus skaitymas, labiausiai naudojasi NAND atminties elementų neapdorotu našumu. Mišriems skaitymo ir rašymo veiklos režimams NAND atminties elementai vis dar veikia pakankamai gerai, jei kompetentinga flash vertimo sluoksnio (FTL) programinė įranga tvarko esamus blokų veiksmus.
Rašymo našumas NAND atmintinėje yra prigimtinai asimetriškas. NAND atmintinės rašymo operacija turi vykti puslapio lygyje, tuo tarpu ištrinimo operacijos vykdomos bloko lygyje. Tai reiškia, kad į NAND atmintinę rašant naujus duomenis, prieš individualių puslapių perprogramavimą reikia ištrinti visą bloką, o tai sukelia delsą, jei šis procesas nėra atidžiai valdomas. Įterptosios sistemos, kurios dėl aukšto greičio rašymo priklauso nuo NAND atmintinės, turi įdiegti buferizavimo strategijas ir dėvėjimosi išlyginimo algoritmus, kad būtų paslėpta ši struktūrinė delsa ir iš NAND atmintinės įrenginio būtų užtikrintas nuolatinis našumas.
Sąsajos parinktys, kurios atskleidžia NAND atmintinės greitį
Sąsaja, jungianti pagrindinį procesorių su NAND atmintimi tiesiogiai, tiesiogiai nulemia tai, kiek NAND atminties įrenginio potencialaus greičio yra pasiekiama. Serijinės periferinės sąsajos (SPI) konfigūracijos leidžia NAND atminčiai veikti mažesniu kontaktų skaičiumi, tačiau vis tiek pasiekiant pakankamus duomenų perdavimo našumus. Keturgubosios SPI NAND atminties konfigūracijos padidina duomenų pralaidumą vienu metu naudodamos keturias duomenų linijas, todėl keturgubosios SPI NAND atmintis yra pageidaujama pasirinktis kainai jautriose įterptųjų sistemų projektuose, kuriose vis dėlto reikalingas reikšmingas našumas. Taikymams, reikalaujantiems aukščiausio galimo našumo, lygiagreti NAND atmintis, prijungta per specialią atminties magistralę, užtikrina žemiausią delsą ir didžiausią nuolatinį pralaidumą iš visų NAND atminties architektūrų.
Sąlygos, kuriomis NAND atmintis veikia geriausiai
Programinės įrangos saugojimas ir kodų vykdymas
Vienas stipriausių NAND atminties naudojimo atvejų įterptuosiuose sistemose yra programinės įrangos vaizdų ir vykdomųjų kodų saugojimas. Kai NAND atmintis sujungiama su vykdymo vietoje (XIP) galimybe arba šešėlinės RAM buferio funkcija, procesorius gali greitai pasiekti instrukcijas iš NAND atminties be spartos ribojimų, kurie gali paveikti realaus laiko veikimą. Pramoniniai įterptieji platformos dažnai remiasi NAND atmintimi, kad būtų saugoma operacinė sistema, paleidimo įkėlimo programinė įranga (boot loader) ir programų vykdomieji failai, nes NAND atmintis šiems santykinai dažnai skaitymui orientuotiems darbams suteikia palankų saugyklos tankio, energijos suvartojimo ir prieigos greičio balansą.
Duomenų registravimo programinėse įrangose NAND atmintinė yra labai veiksminga, kai rašymas vyksta sekmenimis ir registravimo valdiklis išmaningai tvarko blokų ribas. Sekminis rašymo modelis natūraliai atitinka NAND atmintinės puslapio programavimo modelį, leidžiant NAND atmintinės įrenginiui palaikyti aukštą rašymo našumą be nuolatinių trynimo–perrašymo ciklų, kurie suardo našumą. Automobilių juodosios dėžutės įrašymo įrenginiai ir pramoniniai įvykių registravimo įrenginiai yra praktiniai pavyzdžiai, kai NAND atmintinė efektyviai ir patikimai tvarko didelės našumo sekminį rašymą ilgą veikimo laikotarpį.
Atsparumas ir duomenų išlaikymas, atitinkantys programinės įrangos poreikius
Nand atminties tinkamumas tam tikram įterptajam taikymui taip pat priklauso nuo to, ar nand atminties išsilaikymo charakteristikos atitinka sistemos faktines rašymo ciklų reikalavimus. SLC nand atmintis, kuri saugo vieną bitą vienoje ląstelėje, turi aukščiausią išsilaikymo gebėjimą ir greičiausius programavimo greičius tarp visų nand atminties variantų. MLC ir TLC nand atmintis aukštesnės saugyklos tankumo (didesnio duomenų kiekio viename čipe) naudai aukoja dalį išsilaikymo gebėjimo ir neapdoroto greičio, todėl ji yra tinkama taikymams, kuriuose rašymo ciklai yra vidutinio dažnio ir svarbu kaina už vieną gigabaitą. Teisingo nand atminties varianto pasirinkimas nėra pasirinktinis veiksmas – tai pagrindinis projektavimo sprendimas, kuris nulemia, ar nand atmintis galės išlaikyti reikiamą duomenų perdavimo našumą visą produkto numatytą gyvavimo laiką.
Nand atminties praktiniai apribojimai aukšto dažnio projektuose
Klaidų taisymo kodai (ECC) ir valdiklio apkrova
Nand žibintas nėra iš esmės be klaidų. Kai nand žibinto elementai sensta dėl programavimo ir trynimo ciklų, bitų klaidų dažnis didėja. Aukštos tankio nand žibinto variantai yra labiau linkę į bitų klaidas nei SLC nand žibintas, todėl reikia stipresnių klaidų taisymo kodų (ECC) variklių, kad būtų išlaikyta duomenų vientisumas. ECC apdorojimo skaičiavimo našumas gali įvesti delsą duomenų kelyje, kurią įterptų sistemų kūrėjai privalo įvertinti nustatydami nand žibinto našumo reikalavimus. Tinkamai suprojektuotas nand žibinto valdiklis su aparatinėmis priemonėmis pagreitintu ECC minimaliai sumažina šį našumą ir išlaiko efektyvų nand žibinto našumą arti įrenginio deklaruotų techninių charakteristikų.
Maitinimo ir temperatūros sąlygos
NAND atminties našumas yra jautrus maitinimo įtampos stabilumui ir veikimo temperatūrai. Įtampos svyravimai NAND atminties rašymo ar trynimo metu gali sukelti duomenų pažeidimą, todėl patikrima maitinimo šaltinio projektavimas yra būtina sąlyga patikimam NAND atminties veikimui. Pramonės ir automobilių įterptuosiuose sistemose, kur temperatūrų diapazonai yra plačių, projektuotojai turi įsitikinti, kad pasirinkta NAND atminties komponentė yra sertifikuota visam veikimo temperatūrų diapazonui. Pramoninės klasės NAND atminties komponentai yra nustatyti ilgesniems temperatūrų diapazonams ir gamomi su griežtesniais technologiniais kontrolės reikalavimais, kurie padeda išlaikyti NAND atminties patikimumą sunkiomis sąlygomis.
Vienas gerai vertinamas komponentų pavyzdžių šioje srityje yra nAND atmintis suderamasis nuoseklusis šviesos atminties įrenginys, pateikiamas SOP8 pakuotėje, kuris siūlo kompaktišką ir patikimą sprendimą įterptiesioms sistemoms, kurioms reikia patikimos ir greitos duomenų saugojimo galimybės ribotame plokštės erdvės apribojime. Pirkant NAND atminties komponentus, vienodai svarbu patikrinti tiekimo grandinės autentiškumą ir komponentų sertifikavimą, kad būtų pasiektas nuolatinis sistemos našumas.
Dažniausiai užduodami klausimai
Ar NAND atmintis gali palaikyti realaus laiko duomenų įrašymą įterptiosiose sistemose?
Taip, NAND atmintis gali palaikyti realaus laiko duomenų įrašymą, kai įterptoji sistema naudoja šviesos atminties vertimo sluoksnį arba įrangos valdiklį, kuris asinchroniškai tvarko puslapio programavimą ir bloko ištrynimą. Buferizavimo strategijos leidžia programai įrašyti duomenis dideliu greičiu, tuo tarpu NAND atminties įrenginys fone vykdo vidines operacijas, efektyviai atskirdamas NAND atminties delsą nuo realaus laiko duomenų kelio.
Kokia yra skirtumas tarp SLC ir MLC NAND atminties įterptiesioms sistemoms?
SLC NAND atmintinė saugo po vieną bitą kiekvienoje ląstelėje, užtikrindama greitesnius rašymo greičius, didesnę išbandomąją tarnavimo trukmę ir geresnį duomenų išsaugojimą palyginti su MLC NAND atmintine, kuri saugo po du bitus kiekvienoje ląstelėje. Įterptosioms programinėms sistemoms, kuriose reikalingi aukšti rašymo greičiai ir ilga tarnavimo trukmė, SLC NAND atmintinė yra pageidautina pasirinkimo galimybė. MLC NAND atmintinė geriau tinka taikomosioms programoms, kuriose svarbiausia yra saugyklos tankis, o ne maksimalus rašymo našumas ir išbandomoji tarnavimo trukmė.
Kaip sąsajos pasirinkimas veikia NAND atmintinės našumą įterptųjų sistemų projektuose?
Hosto sąsaja nustato, kiek greitai duomenys perduodami tarp procesoriaus ir NAND atminties. Keturgubos SPI NAND atminties konfigūracijos suteikia keturis kartus didesnį duomenų pratekėjimą nei standartinės vieno bito SPI NAND atminties jungtys, žymiai pagerindamos skaitymo ir nuoseklaus rašymo našumą. Lygiagretinės NAND atminties sąsajos užtikrina dar didesnį pratekėjimą, tačiau reikalauja daugiau signalinių linijų ir atidžios spausdintinės plokštės (PCB) išdėstymo. Teisingai pasirinkus sąsają konkrečiai programinei įrangai užtikrinama, kad NAND atminties komponentas veiktų ties ar arti savo deklaruotos našumo ribos.
EN
