如何延长NAND闪存和eMMC使用寿命

电子设计联盟

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每当闪存单元进行写入或擦除操作时，存储单元中的氧化层都会受到磨损，导致浮栅中的电子控制能力下降。
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5 X2 @, Q- \& v9 n. y最终，随着擦写次数的增加，NAND闪存会逐步失效，无法继续正常工作。

1 ^  u% E6 f  U; s  P* `6 A8 s根据不同的存储介质类型，NAND闪存可以分为SLC（单级单元）、MLC（多级单元）、TLC（三层单元）和QLC（四层单元），其中SLC的擦写寿命最长，而QLC的擦写寿命最短。
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. h7 n, S% ~3 _$ x9 I- ^eMMC是基于NAND闪存的一种存储介质，其内部包含了NAND闪存和控制器，因而其寿命和NAND闪存密切相关。

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: y- \# X+ u8 r; y根据闪存颗粒的不同，eMMC的擦写次数通常也受到限制，尤其是MLC、TLC和QLC类型的eMMC。

闪存的寿命可通过以下公式预测：
8 }: k6 t+ r7 Q5 C. _$ o' V8 S
% X5 U; c# b1 t: P( S+ q/ v

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其中，写入放大是影响寿命的关键因素之一。通过优化写入放大，可以显著延长NAND闪存和eMMC的使用寿命。
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8 S/ O: x% U+ R' x3 H2 s' ^" q写入放大的影响
NAND闪存的写入操作通常需要先进行擦除。

擦除的粒度通常远大于写入的粒度，导致写入操作必须涉及更多的闪存单元。这一过程称为写入放大。
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写入放大效应会导致闪存的实际写入次数远高于理论上的写入次数，从而加速闪存的磨损。
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写入放大可以通过以下公式计算：
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0 p2 I% D; o% A, o影响写入放大的因素：
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垃圾回收：启用垃圾回收机制（Wear Leveling）能有效减小写入放大。

预留空间：适当增加预留空间，有助于降低写入放大效应。

顺序写入与随机写入：顺序写入的写入放大效应最小，随机写入会显著增加写入放大。

数据压缩：压缩数据后写入可减少每次写入的数据量，降低写入放大。

删除重复数据：通过删除不必要的数据，减少对闪存的占用，从而减小写入放大。
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# B, R0 h( |8 y  f+ w优化措施
为了延长NAND闪存和eMMC的使用寿命，必须从应用软件层面进行优化。

: G) @% D7 D- r; n3.1 合理分区与动静数据分离
动静数据分离是一种有效的优化方法。

9 ^3 q. r* [1 \! b! h9 Z将系统数据和频繁更新的数据分开存储，可以避免系统分区因频繁写入而提前损坏。

; p5 P7 v2 N& u& t/ z" s( y' F具体来说，可以将系统分区与数据分区分开，确保系统分区只用于存储系统文件而不受到频繁的数据写入的影响。
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此外，将日志文件和应用程序的日志信息存储在RAM文件系统中，避免直接写入闪存，能够减少闪存的写入次数。

仅在发生系统异常时，定期将日志写入闪存。

#define LOG_FILE_PATH "/ramdisk/log.txt"// 定义一个日志缓冲区#define LOG_BUFFER_SIZE 1024char log_buffer[LOG_BUFFER_SIZE];// 模拟写入日志数据voidwrite_log_to_ram(constchar *log_entry){    FILE *log_file = fopen(LOG_FILE_PATH, "a");    if (log_file == NULL) {        printf("Error opening RAM file for logging
");        return;    }    fprintf(log_file, "%s
1 i. h* B; B8 j$ r- L4 M", log_entry);    fclose(log_file);}// 定期将日志写入NAND闪存voidflush_logs_to_flash(){    FILE *log_file = fopen(LOG_FILE_PATH, "r");    if (log_file == NULL) {        printf("Error opening RAM file for flushing
& B- E! Q& |# }- Y8 g");        return;    }    FILE *flash_log_file = fopen("/mnt/flash/log.txt", "a");    if (flash_log_file == NULL) {        printf("Error opening NAND flash file
5 u# n( W* H" q' L");        fclose(log_file);        return;    }    char line[256];    while (fgets(line, sizeof(line), log_file)) {        fprintf(flash_log_file, "%s", line);    }    fclose(log_file);    fclose(flash_log_file);}intmain(){    // 挂载RAM文件系统    if (mount("tmpfs", "/ramdisk", "tmpfs", 0, "size=2M") == -1) {        perror("Failed to mount RAM filesystem");        return-1;    }    // 模拟写入日志    write_log_to_ram("System started successfully");    // 定期将日志写入NAND闪存（可以通过定时器触发）    flush_logs_to_flash();    return0;}3.2 减少数据写入次数
通过将频繁修改的数据先暂存在内存中，可以减少频繁写入闪存的次数。
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例如，可以使用Ramdisk来暂存数据，待数据积累到一定程度后再统一写入闪存。

& l/ j- B/ S  ?. i4 |. N1 U通过此方式，系统可以减少写入频次，延长NAND闪存和eMMC的寿命。
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. d5 S% q: q0 k+ V' L3 H  U3.3 避免零碎数据写入
9 c% A9 d/ z$ T1 L9 [# vNAND闪存的擦除粒度较大，因此在进行写入操作时，尽量确保数据块的大小为擦除块大小的整数倍。

避免零碎数据写入能够有效减少不必要的擦除操作，从而减小写入放大效应。
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#define FLASH_DEVICE "/dev/mtd0"// 假设使用的是MTD设备接口// 执行数据写入时，合并写入块voidwrite_data_to_flash(constchar *data, size_t data_len){    FILE *flash_device = fopen(FLASH_DEVICE, "wb");    if (flash_device == NULL) {        printf("Error opening flash device for writing
6 n* ^) {: ^( r& r8 S");        return;    }    // 写入数据前，确保数据长度为闪存页大小的倍数    size_t page_size = 4096;  // 假设每页为4KB    size_t padded_len = (data_len + page_size - 1) & ~(page_size - 1);  // 向上取整到页大小的倍数    char *padded_data = (char *)malloc(padded_len);    if (!padded_data) {        printf("Memory allocation failed
5 @" Y+ K" N. ^% X");        fclose(flash_device);        return;    }    // 填充数据    memset(padded_data, 0, padded_len);    memcpy(padded_data, data, data_len);    // 写入闪存    fwrite(padded_data, 1, padded_len, flash_device);    free(padded_data);    fclose(flash_device);}int main(){    // 要写入的数据    constchar *data = "This is a test data for NAND flash.";    write_data_to_flash(data, strlen(data));    return0;}3.4 维持合理的分区占用率
合理的磁盘占用率对于延长NAND闪存和eMMC的寿命至关重要。
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4 Z1 P, }" w( k! u) p* N不要让存储介质处于接近满容量的状态，保持较低的磁盘占用率，可以有效减小写入放大效应。
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对于eMMC闪存，可以通过启用文件系统的磁盘配额管理来确保磁盘使用率合理。

而对于NAND闪存，则可以通过编写磁盘占用率监控程序，在磁盘占用率达到阈值时自动清理无用文件。
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3.5 定期坏块检测与替换
! g. s0 K# @0 i9 }4 _: j7 r6 tNAND闪存存在坏块问题，长时间使用后可能出现坏块，导致数据丢失。
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定期进行坏块检测并进行坏块替换，能够防止系统使用坏块数据区域，从而保证数据的安全性。
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#define FLASH_DEVICE "/dev/mtd0"// 假设NAND闪存有2048个块#define TOTAL_BLOCKS 2048// 检查坏块的函数boolis_bad_block(int block_number){    // 这里只是示例，实际中需要通过硬件或驱动来检查坏块    // 一般来说，设备会返回一个坏块标记    return (block_number % 10 == 0);  // 假设每隔10个块就是坏块}// 替换坏块的函数voidreplace_bad_block(int block_number){    printf("Bad block detected at block %d. Replacing...
", block_number);    // 实际中可以使用闪存控制器提供的API进行坏块替换}intmain(){    // 检查每个块是否有坏块    for (int block = 0; block         if (is_bad_block(block)) {            replace_bad_block(block);        }    }    return0;}3.6、闪存健康管理
, @# Y, i8 o/ H* \  r/ c对于eMMC，可以通过mmc_erase_info文件查看eMMC的擦写次数，以判断eMMC的健康状况。
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如果擦写次数接近厂商理论值，应及时采取预防措施，避免数据丢失。
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' f9 E# g% r! M& m对于NAND闪存，虽然不像eMMC那样直接提供擦写次数的统计，但可以通过自主统计擦写次数，并结合寿命预测公式对闪存的健康状态进行评估。

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通过在嵌入式开发中采用适当的软件优化措施，如合理分区、数据压缩、避免零散写入等，可以显著延长NAND闪存和eMMC的使用寿命。

' [; b7 D% j1 d9 V# X. |! r( q优化写入放大、减少写入次数、避免不必要的擦除操作等技术方法，是提升闪存可靠性和降低故障发生率的有效途径。

* W# ]) d' X# J6 ~针对闪存的健康管理和坏块检测，也为系统的稳定性提供了保障。
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& U: @  m2 \$ [# b. @最终，这些优化措施将帮助提升嵌入式设备的可靠性，延长其服务周期。
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