隨著物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)變得越來(lái)越強(qiáng)大，處理要求可能會(huì)提升到全新的水平，需要 Linux 等完全嵌入式操作系統(tǒng) (OS) 才能正確管理所有正在運(yùn)行的復(fù)雜任務(wù)。雖然將此代碼存儲(chǔ)在閃存 microSDHC 卡上很方便，但大多數(shù)閃存 microSDHC 卡僅適用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)而非操作系統(tǒng)存儲(chǔ)，不過(guò)供應(yīng)商已經(jīng)提出了一些創(chuàng)新的解決方案。
本文介紹了嵌入式操作系統(tǒng)的作用，以及為何將操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序代碼同時(shí)放在物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中的 microSDHC 閃存卡上通常是明智之舉；然后解釋了閃存卡的性能下降模式，以及操作系統(tǒng)如何受到這種性能下降現(xiàn)象的特別影響；接下來(lái)展示了設(shè)計(jì)人員如何通過(guò)新的閃存實(shí)施辦法來(lái)克服這種性能下降，從而確保物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的實(shí)施高效且可靠。
為何使用嵌入式操作系統(tǒng)
對(duì)于某些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而言，可在遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行的預(yù)處理越多，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)需要傳輸回中央集線器的數(shù)據(jù)就越少，這樣可釋放網(wǎng)絡(luò)帶寬。經(jīng)過(guò)預(yù)測(cè)試的嵌入式操作系統(tǒng)可通過(guò)有效處理大量單獨(dú)任務(wù)來(lái)支持復(fù)雜的預(yù)處理，并以可預(yù)測(cè)（確定性）的方式處理多重任務(wù)。當(dāng)然，這將對(duì)微控制器提出額外的要求，需要更快的時(shí)鐘速度，更重要的是，需要更多的程序存儲(chǔ)器。
商業(yè)或開(kāi)源成品嵌入式操作系統(tǒng)的另一優(yōu)勢(shì)在于采用經(jīng)預(yù)測(cè)試的可靠代碼，很少需要更新。例如，可用的嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)可能只是每季度更新一次，或是僅安裝緊急安全補(bǔ)丁。嵌入式操作系統(tǒng)和所需應(yīng)用程序代碼可能需要 8 Gb 或更多的存儲(chǔ)空間，由于操作系統(tǒng)很少更新，因此將操作系統(tǒng)存儲(chǔ)在由技術(shù)人員手動(dòng)（物理）更新的 microSDHC 閃存卡上會(huì)更方便。這也適用于未來(lái)的內(nèi)存擴(kuò)展，因?yàn)橄麓渭夹g(shù)人員訪問(wèn)時(shí)，現(xiàn)有的 4 GB 閃存卡可以根據(jù)需要輕松更換為 8 Gb 或容量更大的卡（圖 1）。
圖 1：Swissbit Class 10 microSDHC S-140u 存儲(chǔ)卡支持高達(dá) 104 Mb/s 的速度，足夠用于高速訪問(wèn)程序存儲(chǔ)器。（圖片來(lái)源：Swissbit）
與通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)更新的閃存相比，在手動(dòng)更新的 microSDHC NAND 閃存卡上存儲(chǔ)千兆字節(jié)的嵌入式操作系統(tǒng)具有多個(gè)優(yōu)勢(shì)。在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)所使用的仲裁方案，更新 4 GB 或更大的嵌入式操作系統(tǒng)可能會(huì)導(dǎo)致從操作通信中竊取無(wú)線帶寬。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)更新還需要一個(gè)兩倍于正常容量的 microSDHC 卡，因?yàn)樾枰銐虻拇鎯?chǔ)空間來(lái)運(yùn)行操作系統(tǒng)和容納傳入的更新。
由于無(wú)線電活動(dòng)以及更高的閃存寫(xiě)入電壓和功率要求，通過(guò)無(wú)線方式更新閃存代碼也會(huì)縮短電池壽命。
與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)相比，從閃存執(zhí)行的嵌入式操作系統(tǒng)對(duì)閃存單元也提出了不同的要求。大多數(shù)商用閃存 microSDHC 卡都是制造商設(shè)計(jì)用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的。最常見(jiàn)的商業(yè)用途是移動(dòng)設(shè)備的多媒體存儲(chǔ)。雖然視頻、圖像或音頻文件中的多個(gè)位錯(cuò)誤可能會(huì)被最終用戶(hù)忽視，但關(guān)鍵嵌入式操作系統(tǒng)文件中只要有一個(gè)位錯(cuò)誤，就可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障。
閃存的使用壽命有限制。對(duì)閃存陣列的每次寫(xiě)入操作都會(huì)縮短陣列的壽命。每個(gè)半導(dǎo)體閃存規(guī)范列出了有限數(shù)量的擦寫(xiě)周期。隨著閃存單元接近規(guī)定的限制，單元磨損并且不接受新編程狀態(tài)的可能性變得越來(lái)越大。
磨損均衡是防止由于寫(xiě)入操作引起閃存陣列性能下降的一種常見(jiàn)方法。寫(xiě)入并非寫(xiě)入相同的閃存位置，而是均勻地分布在整個(gè)閃存半導(dǎo)體存儲(chǔ)器陣列上，確保寫(xiě)入內(nèi)容在閃存矩陣中均勻分布。通過(guò)磨損均衡，當(dāng)微控制器寫(xiě)入物理存儲(chǔ)器中的單個(gè)位置時(shí)，閃存控制器可以將該位置映射到閃存陣列中的不同位置。
讀取干擾錯(cuò)誤如何發(fā)生
操作系統(tǒng)文件的訪問(wèn)頻率比數(shù)據(jù)文件要高得多，因此無(wú)法容忍文件位錯(cuò)誤。在某些情況下，核心操作系統(tǒng)文件可能會(huì)被不斷讀取，進(jìn)而在閃存陣列中引入位錯(cuò)誤。
閃存以塊的形式排列，每個(gè)塊包含許多頁(yè)。對(duì)存儲(chǔ)器來(lái)說(shuō)，塊是可擦除的最小部分，而頁(yè)是可讀取或編程的最小部分。閃存塊的一般大小為 256 KB，每個(gè)塊可包含 64 頁(yè)，每頁(yè) 4 KB。每個(gè)頁(yè)還包括額外的 64 個(gè)字節(jié)，用于糾錯(cuò)碼 (ECC)、擦除計(jì)數(shù)和到物理轉(zhuǎn)換信息的邏輯。
在一頁(yè)數(shù)據(jù)的閃存讀取操作期間，即使頁(yè)中僅有一個(gè)字節(jié)需要讀取，也會(huì)對(duì)頁(yè)所屬的整個(gè)塊施加較小的讀取電壓。由于閃存處理單元技術(shù)，也會(huì)在塊中的周?chē)?yè)內(nèi)產(chǎn)生較小的電壓。這可以將電子注入到單元絕緣層中，類(lèi)似于對(duì)單元進(jìn)行編程，這就是它被稱(chēng)為“軟編程”的原因。將較小的讀取電壓重復(fù)施加到同一個(gè)塊可能最終干擾非正在讀取的閃存頁(yè)的編程。隨著時(shí)間的推移，這可能導(dǎo)致將相鄰單元的狀態(tài)改為不同的值。
雖然大多數(shù) NAND 閃存 microSDHC 卡都有某種形式的糾錯(cuò)功能來(lái)糾正單元錯(cuò)誤，但由軟編程引起的錯(cuò)誤數(shù)量可能很多，以至于達(dá)到無(wú)法糾正的臨界水平，從而導(dǎo)致微控制器從位位置讀取不同的值，造成文件損壞錯(cuò)誤。這些位錯(cuò)誤稱(chēng)為讀取干擾錯(cuò)誤。
用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的 NAND 閃存 microSDHC 卡很少出現(xiàn)讀取干擾錯(cuò)誤。在閃存陣列上執(zhí)行寫(xiě)入操作時(shí)，磨損均衡操作過(guò)后，閃存位置被重新編程，因此消除了任何軟編程影響。但是，用于嵌入式操作系統(tǒng)的閃存陣列很少編程，這使得讀取干擾錯(cuò)誤成為現(xiàn)實(shí)。
單階存儲(chǔ)單元 (SLC) 閃存卡的額定讀取次數(shù)為一百萬(wàn)次，多階存儲(chǔ)單元 (MLC) 閃存卡在讀取干擾錯(cuò)誤發(fā)生之前的額定讀取次數(shù)為 100,000 次。對(duì)于數(shù)據(jù)閃存，讀取干擾錯(cuò)誤被認(rèn)為非常罕見(jiàn)，以至于規(guī)格書(shū)中通常不指定這些數(shù)字。
使用 RDM 防止讀取干擾錯(cuò)誤
為了防止讀取干擾錯(cuò)誤，Swissbit 開(kāi)發(fā)了一種稱(chēng)為讀取干擾管理 (RDM) 的功能。在 Swissbit 的 RDM 中，閃存卡控制器會(huì)跟蹤每個(gè)閃存塊的讀取操作次數(shù)。當(dāng)塊達(dá)到內(nèi)部定義的讀取操作次數(shù)時(shí)，控制器將數(shù)據(jù)移動(dòng)到新塊，類(lèi)似用于寫(xiě)入操作的磨損均衡。如有必要，在對(duì)新塊進(jìn)行寫(xiě)入操作期間，SD 控制器的糾錯(cuò)碼 (ECC) 會(huì)糾正任何損壞的數(shù)據(jù)。
Swissbit 的 SFSD8192N1BM1MT-I-QG-221-STD 8 GB S-450u UHS-I Class 10 microSDHC 閃存卡中已實(shí)施 RDM。S-450u 專(zhuān)為使用嵌入式操作系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，具有許多復(fù)雜的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序代碼所需的足夠空間。在 SDR104 模式下，S-104u 可支持高達(dá) 104 Mb/s 的數(shù)據(jù)訪問(wèn)速度。
使用 microSDHC 卡執(zhí)行程序存儲(chǔ)器
如前所述，microSDHC 卡通常僅用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，因此大多數(shù) Harvard 架構(gòu)微控制器上的外設(shè)僅支持訪問(wèn)作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的 microSDHC 卡。這限制了可用選項(xiàng)。
現(xiàn)有解決方案會(huì)讀取 microSDHC 卡并將程序存儲(chǔ)器加載到 RAM 中，然后從 RAM 中執(zhí)行。RAM 芯片不僅增加了電路板的成本，而且程序擴(kuò)展僅限于 PC 板上可用的板載 RAM 數(shù)量。
MicroSDHC 卡能夠在 SD 模式或 SPI 模式下連接。
要將微控制器連接到作為程序存儲(chǔ)器的 S-450u microSDHC 卡，所選的微控制器需要支持兩種 microSDHC 總線協(xié)議之一：
映射到程序存儲(chǔ)器的 SDHC 卡 SD 模式控制器外設(shè)（圖 2）。此外設(shè)可以是外部外設(shè)，也可以是內(nèi)部微控制器外設(shè)。接口由六個(gè)信號(hào)組成：四位數(shù)據(jù) (DAT[0-3])、一個(gè)時(shí)鐘 (CLK) 和一個(gè)雙向指令/響應(yīng)信號(hào) (CMD)。數(shù)據(jù)一次傳輸四位，并提供最快的程序執(zhí)行速度。主機(jī)控制器或微控制器為 microSDHC 卡提供時(shí)鐘。
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DHC 卡的圖片" src="http://www.digikey.com.cn/-/media/Images/Article Library/TechZone Articles/2018/May/Choosing and Using the Right Flash Memory Technology for IoT Program Memory Applications/article-2018may-choosing-and-using-fig2.jpg?ts=e1fdf14e-f758-455b-8016-f7082b512749&la=zh-CN-RMB" title="Interfacing to a microSDHC card using SD Mode" height="238" width="500"/>
圖 2：使用 SD 模式連接 microSDHC 卡時(shí)，使用一個(gè)簡(jiǎn)單的六信號(hào)接口，以提供最快的內(nèi)存訪問(wèn)速度。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）
一個(gè)可配置 SPI 接口，支持芯片內(nèi)執(zhí)行 (XIP)。可通過(guò)在 SPI 模式下訪問(wèn) microSDHC 卡來(lái)執(zhí)行卡中的代碼，提供快速數(shù)據(jù)傳輸，但傳輸速度不如 SDHC 卡模式。XIP 存儲(chǔ)器將卡的存儲(chǔ)器映射到微控制器的程序存儲(chǔ)器空間，使得 microSDHC 卡訪問(wèn)對(duì)主機(jī)固件保持透明。
microSDHC 卡在 SD 卡模式下啟動(dòng)。要選擇單位 SPI 模式，在開(kāi)機(jī)后的前六個(gè)時(shí)鐘，DAT3 信號(hào)必須上拉至 VDD，同時(shí)通過(guò)將 CMD 下拉至 VSS 發(fā)送 RESET（復(fù)位）命令 (000000b) 至卡。此后，卡將保持 SPI 模式，直至關(guān)機(jī)。
Maxim Integrated 的 MAX32652 Arm? Cortex?-M4F 微控制器是專(zhuān)為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的低功耗微控制器。它有一個(gè)片載 QSPI XIP 接口，如果配置正確，能夠執(zhí)行 microSDHC 卡的代碼。
MAX32652 還有一個(gè)完整的 SDHC 接口，主要用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)。
需要注意的是，微控制器的這些接口必須是程序存儲(chǔ)器接口。無(wú)論使用何種總線協(xié)議或接口，微控制器都需要包含一些片載閃存啟動(dòng)代碼，以便初始化 microSDHC 卡的接口。
插座安全
用于工業(yè)應(yīng)用 microSDHC 卡的插座經(jīng)常被忽視。對(duì)于要求堅(jiān)固耐用的應(yīng)用，錫或類(lèi)似觸頭材料會(huì)隨著時(shí)間的推移而變色或失去其拉伸強(qiáng)度。金觸點(diǎn)雖然價(jià)格稍貴，但是能提供穩(wěn)固的觸頭連接，確保其拉伸強(qiáng)度不會(huì)隨時(shí)間改變，因此物有所值。
Amphenol ICC 的 10101704J6#2A 通用閃存 (UFS) 和 microSDHC 連接器/插座可為任何 microSDHC 兼容卡提供穩(wěn)固的連接（圖 3）。該插座具有防磕碰觸點(diǎn)，可防止存儲(chǔ)卡在插拔過(guò)程中卡住。
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圖 3：10101704J6＃2A UFS 和 microSDHC 卡連接器/插座支持現(xiàn)有的 microSDHC 和下一代 UFS 卡，數(shù)據(jù)傳輸速度高達(dá) 6 Gb/s。（圖片來(lái)源：Amphenol）
此 Amphenol 插座兼容新的通用閃存 (UFS) 格式，因此還支持未來(lái)擴(kuò)展，UFS 外形尺寸與 microSDHC 類(lèi)似，但觸點(diǎn)封裝不同（圖 4）。UFS 卡具有差分雙向數(shù)據(jù)傳輸功能，支持兩倍于 microSDHC 的傳輸速度。
圖 4：左側(cè)是 microSDHC 卡，右側(cè)是新的 UFS 卡。UFS 卡具有差分雙向數(shù)據(jù)傳輸功能，支持兩倍于 microSDHC 的傳輸速度。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）
一些聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)可能位于 Wi-Fi 不可用或不實(shí)用的遠(yuǎn)程位置。對(duì)于上述情況，可通過(guò)無(wú)線蜂窩數(shù)據(jù)連接來(lái)執(zhí)行聯(lián)網(wǎng)。這需要使用一張用戶(hù) SIM 卡，該 SIM 卡也需要插入。
節(jié)省電路板空間的一個(gè)簡(jiǎn)單方法是使用 microSDHC 和 SIM 卡插座組合，如 Molex 的 1041681620 雙插座，同時(shí)支持 SIM 卡和 microSDHC 卡（圖 5）。該插座還具有金觸點(diǎn)，可在惡劣環(huán)境中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)固的連接，并采用防磕碰觸點(diǎn)。
圖 5：1041681620 組合 SIM 卡和 microSDHC 卡插座可顯著減少板空間，提供防磕碰觸點(diǎn)，防止插拔錯(cuò)誤。（圖片來(lái)源：Molex）
總結(jié)
雖然閃存 microSDHC 卡過(guò)去常用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，但目前正在尋求改進(jìn)，以支持嵌入式操作系統(tǒng)在芯片內(nèi)執(zhí)行程序存儲(chǔ)器的獨(dú)特需求。此演進(jìn)過(guò)程的一部分包括開(kāi)發(fā)可支持持續(xù)讀取請(qǐng)求的更快閃存。此外，微控制器正在演進(jìn)，以支持可從外部 microSDHC 卡可靠執(zhí)行代碼的新存儲(chǔ)器接口，同時(shí)減少或消除閃存錯(cuò)誤
