嵌入式知识篇---闪存

闪存（Flash Memory）是一种非易失性存储技术，广泛应用于电子设备中，能够在断电后保持数据。它结合了 ROM（只读存储器）的非易失性和 RAM（随机存取存储器）的可擦写性，是现代数字设备的核心存储组件之一。以下从工作原理、类型、特点、应用场景等方面详细介绍：

一、闪存的工作原理

闪存基于浮栅场效应晶体管（Floating-Gate MOSFET） 结构，核心是通过改变 “浮栅” 中电子的数量来存储数据：

• 浮栅：位于晶体管的栅极下方，被绝缘层包裹，能捕获并保存电子（电子数量决定存储状态）。
• 数据写入：通过施加高电压，使电子突破绝缘层进入浮栅（称为 “编程”），此时晶体管导通状态改变，代表 “0” 或 “1”。
• 数据擦除：施加反向电压，使浮栅中的电子释放（称为 “擦除”），恢复初始状态。
• 数据读取：通过检测晶体管的导通电流判断浮栅中电子数量，从而读取存储的二进制数据。

与传统硬盘（HDD）的机械结构不同，闪存无机械部件，依赖电子运动实现数据操作，因此速度更快、更抗物理冲击。

二、闪存的主要类型

根据存储单元结构和擦写方式，闪存可分为两大类：

1. NOR 闪存

• 结构特点：存储单元采用并行连接，类似 NOR 门电路，支持随机地址访问（可直接读取任意地址的数据）。
• 优势：
  • 读取速度快（类似 RAM），适合存储需要快速执行的程序（如固件、启动代码）。
  • 可按字节擦写，灵活性高。
• 劣势：
  • 写入和擦除速度慢，且擦除前需先擦除整个块（Block）。
  • 密度低（单位面积存储容量小），成本高。
• 应用：嵌入式系统的固件（如路由器、打印机的启动程序）、早期手机的系统存储等。

2. NAND 闪存

• 结构特点：存储单元采用串联连接，类似 NAND 门电路，需按 “页（Page）” 读取，不支持随机地址直接访问（需通过控制器转换）。
• 优势：
  • 密度高（单位面积存储容量大），成本低，适合大规模数据存储。
  • 写入和擦除速度快（尤其是连续读写）。
• 劣势：
  • 随机读取速度较慢（需通过控制器管理）。
  • 擦写有次数限制（通常数万至数十万次），需通过 “磨损均衡” 技术延长寿命。
• 细分类型：根据单个存储单元可存储的比特数，NAND 闪存又分为：
  • SLC（Single-Level Cell）：1 个单元存 1 比特数据，速度快、寿命长（擦写次数 10 万 +），成本最高，用于企业级存储（如服务器 SSD）。
  • MLC（Multi-Level Cell）：1 个单元存 2 比特数据，速度和寿命中等（擦写次数 1 万 - 3 万），成本适中，用于消费级 SSD、U 盘。
  • TLC（Triple-Level Cell）：1 个单元存 3 比特数据，容量大、成本低，寿命较短（擦写次数 3000-1 万），用于主流 SSD、手机存储。
  • QLC（Quad-Level Cell）：1 个单元存 4 比特数据，容量最大、成本最低，寿命最短（擦写次数 1000-3000），用于大容量存储（如移动硬盘、数据中心冷存储）。

三、闪存的核心特点

1. 非易失性：断电后数据不丢失，无需持续供电维持存储，这是区别于 RAM 的关键。
2. 可擦写性：支持多次写入和擦除（但次数有限，需通过控制器优化）。
3. 高速性：相比机械硬盘，读写速度提升 10 倍以上（连续读写可达 GB/s 级别）。
4. 低功耗：无机械运动，待机和运行功耗远低于硬盘。
5. 抗震性：无磁头、马达等机械部件，抗摔、抗振动能力强。
6. 局限性：
   • 擦写次数有限（需依赖 “磨损均衡” 算法延长寿命）。
   • 数据长期存放可能因电子泄漏丢失（需定期通电刷新）。
   • 碎片化可能影响性能（需 TRIM 指令优化）。

四、闪存的应用场景

闪存的特性使其成为多种电子设备的核心存储：

• 消费电子：智能手机（eMMC/UFS 存储）、平板电脑、相机（SD 卡）、U 盘、移动硬盘（SSD）。
• 计算机：笔记本电脑、台式机的 SSD（替代传统硬盘）、主板 BIOS 芯片。
• 嵌入式系统：智能手表、路由器、汽车电子（导航、行车记录仪）、物联网设备（传感器数据存储）。
• 企业级应用：数据中心的 SSD 服务器、云存储、工业控制设备的固件存储。

五、闪存与其他存储技术的对比

总结：闪存凭借非易失性、高速、低功耗等优势，已成为现代数字设备的主流存储技术，尤其在移动设备和高性能计算中不可或缺。随着技术发展，其容量不断提升、成本持续下降，未来将在更多场景中替代传统存储方案。