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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