Ko inženirji ocenjujejo možnosti pomnilnika za vgrajene sisteme, NAND flash vedno izstopa kot ena najpogosteje obravnavanih izbir. Ključno vprašanje je, ali NAND flash resnično lahko podpira zahteve po hitrem shranjevanju podatkov v vgrajenih okoljih ali pa njegove lastnosti povzročajo neprijetne kompromise. Kratki odgovor je da — NAND flash je primeren za hitro vgrajeno shranjevanje — vendar le, če so na voljo ustrezna arhitektura, logika nadzornika in konfiguracija vmesnika. Pred sprejetjem končne oblikovne rešitve je nujno razumeti, kako se NAND flash obnaša v dejanskih obratovalnih pogojih.
Vdelani sistemi zajemajo širok spekter uporab, od industrijskih regulatorjev in avtomobilskih elektronskih nadzornih enot (ECU) do potrošniških IoT naprav in medicinskih merilnih instrumentov. Vsaka uporaba postavlja različne zahteve glede NAND flash pomnilnika v zvezi s hitrostjo branja in pisanja, vzdržljivostjo, ohranitveno sposobnostjo in zanesljivostjo. Pravilno izbran NAND flash komponent lahko obravnava zahtevna podatkovna obremenitev, neustrezna izbira ali napačno zasnovan vmesnik pa bo razkrila notranje slabosti tehnologije NAND flash. V tem članku preučujemo primernost NAND flash za shranjevanje podatkov na visoki hitrosti tako, da analiziramo njegove osnovne zmogljivosti, praktične omejitve ter konstrukcijske pogoje, ki omogočajo najboljši delovni učinek NAND flash pomnilnika.
Osnovne zmogljivosti NAND flash pomnilnika
Zmogljivosti hitrosti branja in pisanja
Na svoji osnovi NAND flash doseže konkurenčne hitrosti branja, kar ga naredi primernega za številne visokohitrostne vgrajene aplikacije. Sodobne naprave NAND flash lahko pri sekvenčnem branju zagotovijo propustnost, ki presega več sto megabajtov na sekundo, če so povezane z ustrezno gostiteljsko vmesnikom, kot sta SPI ali QSPI, ali pa z vzporednimi avtobusnimi arhitekturami. Cikel branja NAND flash je na splošno hitrejši od cikla pisanja, kar pomeni, da sistemi, ki so usmerjeni predvsem v branje, najbolj neposredno koristijo surovi zmogljivosti NAND flash. Za mešane delovne obremenitve z branjem in pisanjem NAND flash še vedno zadostno deluje, če kompetentna plast prevajanja pomnilnika (FTL) upravlja osnovne operacije z bloki.
Zapisovanje v NAND flash pomnilnik je po naravi asimetrično. Operacija zapisovanja v NAND flash mora delovati na ravni strani, medtem ko operacije brisanja delujejo na ravni bloka. To pomeni, da za zapisovanje novih podatkov v NAND flash pomnilnik potrebujemo izbris celotnega bloka pred ponovnim programiranjem posameznih strani, kar povzroči zakasnitev, če se tega ne upravlja skrbno. Vgrajeni sistemi, ki za hitro zapisovanje odvisni od NAND flash pomnilnika, morajo izvajati strategije medpomnjenja in algoritme poravnavanja obrabe, da skrijejo to strukturno zakasnitev in ohranijo stalno zmogljivost NAND flash naprave.
Možnosti vmesnika, ki odklenejo hitrost NAND flash pomnilnika
Vmesnik, ki neposredno povezuje gostiteljski procesor z NAND flash pomnilnikom, neposredno določa, koliko od potencialne hitrosti naprave NAND flash se dejansko izkoristi. Konfiguracije serijskega perifernega vmesnika (SPI) omogočajo delovanje NAND flash pomnilnika z nižjim številom priključkov, hkrati pa zagotavljajo sprejemljive prenosne hitrosti. Konfiguracije NAND flash s četverno SPI (Quad-SPI) pomnožijo podatkovno pasovno širino tako, da hkrati uporabljajo štiri podatkovne linije, zaradi česar so konfiguracije NAND flash s četverno SPI prednostna izbira v vgrajenih načrtih, kjer je ključna cena, a je še vedno potrebna pomembna propustnost. Za aplikacije, ki zahtevajo najvišjo možno zmogljivost, NAND flash z vzporednim vmesnikom, povezan prek posebne pomnilniške avtobusne povezave, zagotavlja najnižno zakasnitev in najvišjo trajno pasovno širino, ki jo omogočajo arhitekture NAND flash.
Pogoji, pri katerih NAND flash deluje najbolje
Shranjevanje programske opreme in izvajanje kode
Ena najmočnejših uporabnih primerov NAND pomnilnika v vgrajenih sistemih je shranjevanje slik programske opreme in izvedljive kode. Ko se NAND pomnilnik kombinira z možnostjo izvajanja na mestu (execute-in-place) ali medpomnilnikom sence (shadow RAM), procesor hitro pridobi navodila iz NAND pomnilnika brez omejitev, ki bi vplivale na zmogljivost v realnem času. Industrijski vgrajeni platformi pogosto za shranjevanje operacijskega sistema, nalagalnika (boot loaderja) in aplikacijskih binarnih datotek uporabljajo NAND pomnilnik, saj ta ponuja ugodno ravnovesje med gostoto shranjevanja, porabo energije in hitrostjo dostopa za te relativno pretežno branje obremenitve.
Za aplikacije za beleženje podatkov se NAND flash izkazuje kot zelo učinkovit, kadar so zapisovanja zaporedna in nadzornik za beleženje pametno upravlja meje blokov. Zaporedni vzorci zapisovanja se naravno ujemajo s strani-programskim modelom NAND flasha, kar omogoča napravi NAND flash, da ohrani visoke hitrosti zapisovanja brez stalnih ciklov brisanja in ponovnega zapisovanja, ki bi razdrobili zmogljivost. Avtomobilski črne škatle in industrijski dnevniki dogodkov so praktični primeri, kjer NAND flash učinkovito in zanesljivo obravnava visokohitrostna zaporedna zapisovanja v razširjenih obratovalnih obdobjih.
Trajnost in ohranjanje podatkov v skladu z zahtevami aplikacije
Primernost NAND Flash za dano vgrajeno aplikacijo je odvisna tudi od usklajevanja trajnosti NAND Flash z dejanskimi zahtevami sistema glede števila zapisovalnih ciklov. SLC NAND Flash, ki shrani en sam bit na celico, ponuja najvišjo trajnost in najhitrejše hitrosti programiranja med vsemi različicami NAND Flash. MLC in TLC NAND Flash žrtvujeta del trajnosti in surove hitrosti v zameno za večjo gostoto shranjevanja na čip, kar jih naredi primernimi za aplikacije, kjer so zapisovalni cikli ummerjeni in je pomembna cena na gigabajt.
Dejanske omejitve NAND Flash v visokohitrostnih izvedbah
ECC in obremenitev nadzornika
NAND flash ni po naravi brez napak. Ko se celice NAND flash starajo zaradi ciklov pisanja in brisanja, se stopnja bitnih napak povečuje. Variante NAND flash z visoko gostoto so bolj občutljive na bitne napake kot SLC NAND flash, zato za ohranitev celovitosti podatkov zahtevajo močnejše motorje za korekcijo napak (ECC). Računska obremenitev obdelave ECC lahko vnosni poti podatkov povzroči zakasnitev, kar morajo oblikovalci vgrajenih sistemov upoštevati pri določanju zahtev za zmogljivost NAND flash. Ustrezen nadzornik NAND flash z strojno pospešenim ECC minimalno zmanjša to obremenitev in ohrani učinkovito propustnost NAND flash blizu nazivnih specifikacij naprave.
Ogled moči in temperature
Zmanskost NAND flash pomnilnika je občutljiva na stabilnost napajalnega napetostnega vira in delovno temperaturo. Napetostne nihanja med operacijami pisanja ali brisanja NAND flash pomnilnika lahko povzročijo poškodbo podatkov, zato je za zanesljivo delovanje NAND flash pomnilnika predpogoj zanesljiv način napajanja. V industrijskih in avtomobilskih vgrajenih sistemih, kjer so obsegi delovnih temperatur široki, morajo konstruktorji potrditi, da je izbrani NAND flash komponenta certificirana za celoten delovni temperaturni obseg. Industrijski NAND flash komponenti so določeni za razširjene temperaturne obsege in so izdelani z ožjimi procesnimi kontrolami, ki pomagajo ohraniti zanesljivost NAND flash pomnilnika v zahtevnih pogojih.
En primer dobro uveljavljene komponente na tem področju je nAND Flash združljiva zaporedna flash pomnilniška naprava v pakiranju SOP8, ki ponuja kompaktno in robustno rešitev za vgrajene sisteme, ki zahtevajo zanesljivo in hitro shranjevanje podatkov v omejenem prostoru na plošči. Pri nakupu komponent NAND flash je enako pomembno preveriti avtentičnost dobavnega veriga in potrdila komponent, da se doseže dosledno delovanje sistema.
Pogosto zastavljena vprašanja
Ali NAND flash podpira zapis podatkov v realnem času v vgrajenih sistemih?
Da, NAND flash lahko podpira zapis podatkov v realnem času, če vgrajeni sistem uporablja sloj prevoda flash (FTL) ali strojni nadzornik, ki asinhrono upravlja programiranje strani in brisanje blokov. Strategije medpomnjenja omogočajo aplikaciji hitro pisanje, medtem ko naprava NAND flash izvaja notranje operacije v ozadju, s čimer učinkovito loči zakasnitev NAND flash od poti za podatke v realnem času.
Kakšna je razlika med SLC in MLC NAND flash za vgrajeno uporabo?
SLC NAND flash pomnilnik shrani en bit na celico, kar omogoča hitrejše zapisovanje, višjo odpornost in boljšo ohranitev podatkov v primerjavi z MLC NAND flash pomnilnikom, ki shrani dva bita na celico. Za vdelane aplikacije, ki zahtevajo hitro zapisovanje in dolgo življenjsko dobo, je SLC NAND flash pomnilnik prednostna izbira. MLC NAND flash pomnilnik je bolj primernega za aplikacije, kjer je ključnega pomena gostota shranjevanja, ne pa najvišja zmogljivost pri zapisovanju in odpornost.
Kako izbor vmesnika vpliva na zmogljivost NAND flash pomnilnika v vdelanih sistemih?
Vmesnik gostitelja določa, kako hitro se podatki prenašajo med procesorjem in NAND flash pomnilnikom. Konfiguracije NAND flash pomnilnika s četverno SPI vmesnico ponujajo štirikrat večjo podatkovno propustnost kot standardne enobitne SPI povezave z NAND flash pomnilnikom, kar znatno izboljša zmogljivost branja in zaporednega pisanja. Vmesniki NAND flash pomnilnika z vzporedno povezavo zagotavljajo še višjo propustnost, vendar zahtevajo več signalnih linij in natančno načrtovanje tiskane ploščice (PCB). Izbira ustreznega vmesnika za dano aplikacijo zagotavlja, da komponenta NAND flash deluje pri svoji nazivni hitrosti ali zelo blizu nje.
EN
