如何延长NAND闪存和eMMC使用寿命

不脱发的程序猿

发布于 2025-03-27 13:18:39

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随着电子设备在各个行业的广泛应用，NAND闪存和eMMC成为了主流的存储介质。

尤其在嵌入式系统中，NAND闪存和eMMC的性能和寿命直接影响系统的稳定性和可靠性。

然而，长时间运行后，这些存储介质可能因频繁的擦写操作而出现寿命到期的情况。

1、闪存寿命及其影响因素

NAND闪存的使用寿命通常由擦除次数决定。

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。

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。

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。

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。

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：

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。

2、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。

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。

写入放大可以通过以下公式计算：

影响写入放大的因素：

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。

3、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。

3.1 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。

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。

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。

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 1024
char 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\n");
        return;
    }
    fprintf(log_file, "%s\n", 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\n");
        return;
    }
    FILE *flash_log_file = fopen("/mnt/flash/log.txt", "a");
    if (flash_log_file == NULL) {
        printf("Error opening NAND flash file\n");
        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。

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。

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。

3.3 避免零碎数据写入

NAND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。

#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\n");
        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\n");
        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。

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。

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。

3.5 定期坏块检测与替换

NAND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。

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。

#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...\n", 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 < TOTAL_BLOCKS; block++) {
        if (is_bad_block(block)) {
            replace_bad_block(block);
        }
    }
    return0;
}