當(dāng)今無線電話，PDA等移動系統(tǒng)的設(shè)計人員，面對各種不同的使用要求，對如何選擇合適的微處理器，存儲器子系統(tǒng)，以及I/O器件，感到十分困惑。需要綜合考慮進(jìn)入市場的時限，成本，開發(fā)的工作量，尺寸，功耗，重量，性能等等一大堆限制和要求，結(jié)合各種各樣器件的特長，進(jìn)行優(yōu)化搭配。由于各個項目的側(cè)重點(diǎn)不同，項目的最佳解決方案也不可能相同。

    一切運(yùn)行算法的電子系統(tǒng)基本上都可以看作是一臺有限狀態(tài)機(jī)。處理器可以看作是下一狀態(tài)的解碼器，存儲器可以看作是記錄該狀態(tài)機(jī)當(dāng)前狀態(tài)的寄存器。機(jī)器一通電，系統(tǒng)必須從非易失性存儲器取得數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化；還需要得到向下一狀態(tài)轉(zhuǎn)換的全部程序編碼?？扉W存儲器作為移動通信設(shè)備存儲程序編碼的存儲器，作用非同小可。

系統(tǒng)的存儲結(jié)構(gòu)

    目前快閃存儲器的種類繁多，足夠系統(tǒng)設(shè)計人員選擇。應(yīng)該根據(jù)所選定的對通信系統(tǒng)要求，選擇最合適的快閃存儲器。目前移動通信系統(tǒng)的基本構(gòu)造大體上分為三類：即PC模式，小型微處理器模式，和中型微處理器模式。

    典型的PC模式中，處理器依靠存儲在閃存中的BIOS進(jìn)行啟動。接著BIOS被復(fù)制到DRAM中去，以便加快執(zhí)行的速度。隨后操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件也先后被復(fù)制到DRAM中去，以便執(zhí)行。PC模式的特點(diǎn)有三條。第一，啟動速度慢；并且隨著操作系統(tǒng)復(fù)雜程度的增加，啟動的速度也更慢。對于消費(fèi)類電子產(chǎn)品這樣慢的啟動過程，用戶是無論如何也不能接受的，必須加以改進(jìn)。第二，執(zhí)行速度快。由于操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件都復(fù)制到DRAM，由RAM來執(zhí)行可以達(dá)到最快的速度。當(dāng)然這要求DRAM具有相當(dāng)大的容量。此外，斷電時需要先將機(jī)器的狀態(tài)保存到非易失性存儲器中去，因此該過程速度較慢。第三，功耗比較大。PC模式主要考慮的是達(dá)到最高的性能，沒有考慮降低功耗。

        PC模式使用的閃存比較少，非易失性存儲主要依靠硬盤。盡管這種模式的性能最好，但是由于功耗大，重量重，啟動慢，很難將它推廣到比較小的電子產(chǎn)品方面去；特別是推廣應(yīng)用到移動的，由電池供電的電子產(chǎn)品中去。

小型微處理器模式

    在小型嵌入式微處理器系統(tǒng)中，一般都是直接從非易失性存儲器中取得程序編碼來執(zhí)行。如果有外部RAM存在，那么它一定是SRAM，因?yàn)?，所需的RAM容量不大，不需要將編碼映射到RAM中去，因此系統(tǒng)中也沒有內(nèi)置DRAM控制器。此外，SRAM的待機(jī)功率比較小，這一點(diǎn)對于依靠電池供電的系統(tǒng)非常重要。另外，作為非易失性存儲器，閃存已經(jīng)取代了EPROM。裝置有小型微處理器的系統(tǒng)，通常都是直接從閃存中讀取啟動編碼/OS/應(yīng)用程序，并執(zhí)行的。因此閃存內(nèi)需要有隨機(jī)存取的接口，所以只有NOR-型的閃存才能用。小型微處理器系統(tǒng)的另一個特點(diǎn)是速度慢。并且由于目前閃存的速度還比SRAM慢得多，從閃存讀取程序執(zhí)行，還不能達(dá)到與SRAM相同的性能。許多消費(fèi)類電子產(chǎn)品，如無線電話和有線電視機(jī)頂盒都是采用小型微處理器模式。這些機(jī)器對速度的要求不太高，所以雖然NOR-型閃存讀取速度比DRAM慢得多，但不是限制當(dāng)前系統(tǒng)性能的因素。

中型微處理器模式

    采用此種模式的系統(tǒng)為了追求良好性能，需要相當(dāng)大容量的DRAM，用來存儲互聯(lián)網(wǎng)的瀏覽器程序和Windows CE操作系統(tǒng)。同時采用快閃存儲器來存儲OS，應(yīng)用軟件，和數(shù)據(jù)。這些系統(tǒng)在啟動時從一個較小容量的NOR-型閃存中取得引導(dǎo)程序。操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件是從大容量閃存復(fù)制到系統(tǒng)內(nèi)存DRAM中去，供執(zhí)行時取用。數(shù)據(jù)則儲存在大容量閃存中待用。

快閃存儲器的類型

    按照存儲單元的基本結(jié)構(gòu)，閃存可以分為NOR型和NAND型兩類。組成它們的晶體管結(jié)構(gòu)是相同的，和普通MOS晶體管相比，多了一個稱為浮柵的，由多晶硅作成的控制極，周圍由二氧化硅絕緣。兩種類型快閃存儲單元的區(qū)別只是連接方法不同。

    簡化了的NOR單元如圖1所示，它和邏輯電路中的NOR門電路類似，存儲單元的晶體管都并連到一個位線。任何一個晶體管導(dǎo)通，存儲單元的位線都變?yōu)?。NAND存儲單元如圖2所示，單元中的晶體管都串接到一個位線。和NAND門電路相同，只有當(dāng)單元中所有的晶體管都導(dǎo)通，位線才為0。

圖1  典型的NOR單元結(jié)構(gòu)

圖2  典型的NAND單元結(jié)構(gòu)

    兩類閃存各有所長。NOR型隨機(jī)讀取的速度比較快，擦除和寫入速度比較慢。因此適合用于程序的讀取。一般NOR閃存的接口和EPROM相同，都有單獨(dú)的地址，數(shù)據(jù)和控制線，便于直接讀??；可以和微處理器連接，直接執(zhí)行程序編碼。

    而NAND結(jié)構(gòu)的閃存，相對來說讀取速度較慢，而擦除和寫入速度則比較快。因此NAND閃存往往用來傳送整“頁”的數(shù)據(jù)，即將存儲陣列中的數(shù)據(jù)直接傳至微處理器內(nèi)部的容量達(dá)528字節(jié)的寄存器。閃存直接和8位數(shù)據(jù)總線連接，一次傳一個字節(jié)。這樣如果一次讀出一個扇面，總的讀取時間和NOR閃存相差不多。NAND閃存的集成度比較高，主要設(shè)計用作固態(tài)文件存儲，沒有專門的地址線和數(shù)據(jù)線，只有控制線和8位I/O端口。和硬盤驅(qū)動器的IDE接口相似，當(dāng)NAND閃存更新?lián)Q代成倍增加容量時，對外物理連接可以保持不變。由于集成度高，寫入和擦除速度快，NAND閃存適合用作大容量存儲器。

表1  NOR和NAND閃存比較

    NOR NAND

隨機(jī)讀取時間    80 ns / 16位字    15 μs / 528字節(jié)（頁）

扇面讀取速度    13．2兆字節(jié)/秒   12．7兆字節(jié)/秒

寫入速度    0.2兆字節(jié)/秒 2.1 兆字節(jié)/秒

擦除速度    0．08兆字節(jié)/秒   5．3兆字節(jié)/秒

未來的結(jié)構(gòu)

    近年來閃存的結(jié)構(gòu)雖然變化不大，但是閃存的制造技術(shù)卻一直在不斷改進(jìn)。主要表現(xiàn)在特征尺寸不斷縮小。目前主要廠家采用的最先進(jìn)工藝，特征尺寸是0.3微米。這個趨勢還會繼續(xù)。結(jié)果導(dǎo)致每片的存儲容量增加，平均每位的價格不斷下降。隨著尺寸的縮小，為了保持晶體管內(nèi)部場強(qiáng)不至于過大，工作電壓也在不斷降低。但是這并不一定在存儲器外部表現(xiàn)出來。因?yàn)樵谄瑑?nèi)安裝了電壓變換器，外加的電壓和內(nèi)部單元的工作電壓并不完全一致。電源電壓的降低可以節(jié)約功耗，對于移動電子產(chǎn)品是有利的。

    閃存發(fā)展的一個重要方面是MLC ( multilevel cell )多電平單元的出現(xiàn)。絕大多數(shù)存儲器存儲一位信息至少需要一個晶體管。在晶體管中兩種狀態(tài)（1或0）的區(qū)分依靠電位，一個閾電壓區(qū)分了兩個狀態(tài)。而閃存區(qū)分狀態(tài)是依靠浮柵上的電荷數(shù)量。如果能夠區(qū)分四種電荷量，每只晶體管就可以用四個狀態(tài)來存儲兩位信息。如果能夠區(qū)分八種電荷量，也就是可以區(qū)分八種狀態(tài)，那么每只晶體管就可以存儲3位信息。這樣，閃存的集成度就可以成倍增加，成本也可以成倍降低。但是由于片內(nèi)除了存儲單元以外還有許多輔助線路，效益并不是完全的線性關(guān)系。此外，MLC的寫入時間也增加了3到4倍。寫入的數(shù)據(jù)能夠保存的時間也有所降低。這是MLC的缺點(diǎn)。

其它特殊器件與特殊要求

    隨著閃存技術(shù)的日趨成熟，針對某些特殊應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，開發(fā)一些特殊用途的器件對于閃存來說也勢在必行。NAND閃存主要是提高集成度，增大容量，降低成本，向固態(tài)大容量存儲器發(fā)展。一些特殊用途的NOR閃存業(yè)已出現(xiàn)。

        RWW ( read-while-write ) NOR閃存，或稱邊讀邊寫存儲器，是為手機(jī)儲存電話號碼，姓名等數(shù)據(jù)而開發(fā)的?？梢詾槭謾C(jī)減少一個EEPROM芯片。RWW NOR閃存實(shí)際上是在一個芯片上安置兩個或更多存儲陣列（或者在同一封裝內(nèi)安放兩個芯片），一個用于讀取，另一個用于寫入。

    同步閃存  NOR閃存的優(yōu)點(diǎn)是讀取速度快，但它仍然需要繼續(xù)提高。隨著制造工藝的改進(jìn)，特征尺寸的減小有助于速度的提高，然而電壓的降低卻影響了速度。此外，近來SRAM和DRAM都在發(fā)展同步器件，以提高速度；閃存也在步它們的后塵開發(fā)同步NOR閃存。

    對于采用PC模式或中型微處理器模式的系統(tǒng)，需要將OS和應(yīng)用軟件從外存復(fù)制到內(nèi)存，啟動時間不可避免較長。一直在不斷努力縮短啟動時間。近來發(fā)現(xiàn)RAM中存儲的數(shù)據(jù)和程序，70%以上是靜態(tài)不變化的。如果將這70%的存儲量，使用和SDRAM速度相同的同步閃存來取代，不但可以降低成本而且可以減少功耗。并且還可以縮短啟動時間。如果沿著這個方向努力，可能實(shí)現(xiàn)隨時開機(jī)隨時可以工作。不但可以節(jié)約功耗，而且無需讓機(jī)器等人，也無須讓人等機(jī)器，也提高了效率。

    采用小型微處理器模式的新型移動通信產(chǎn)品也在推動閃存改進(jìn)技術(shù)。隨著通信繼續(xù)不斷推廣應(yīng)用，要求用戶始終開機(jī)，以便在任何時刻，任何地方都能收到信息。這也要求無線電手機(jī)內(nèi)裝越來越多的功能，例如語音識別，視像接收處理。至于PDA和手機(jī)是否應(yīng)合二為一？也許是，沒有人希望用一個萬能但卻難于駕馭的四不像，雖然什么功能都有卻并不常用。對于這些應(yīng)用，電池的壽命是最重要的事情。

    下一代的移動通信裝置和信息電子產(chǎn)品最為關(guān)鍵的是要具有強(qiáng)大的處理能力，并且能使用戶用最簡單方式處理最復(fù)雜的操作。這需要智能化的軟件，這些軟件也將安裝在下一代的閃存內(nèi)。

結(jié)束語

    閃存已經(jīng)成為今日系統(tǒng)中的關(guān)鍵存儲器。NOR閃存成功地取代了EPROM成為主要的非易失性存儲器；而NAND閃存也已經(jīng)成為最普遍使用的固態(tài)大容量存儲器。此外，閃存還將依據(jù)市場的需求，不斷地改進(jìn)并向?qū)Ｓ没l(fā)展?！觯ㄍ跽A）