ZLG嵌入式笔记(连载32) | 拯救NAND/eMMC：延长闪存寿命

随着电子设备的广泛应用，NAND闪存和eMMC作为主流存储介质，其使用寿命受到广泛关注。本文将探讨其损坏的软件原因，并提供延长使用寿命的实用方法。

前言

长时间运行后出现NAND或者eMMC损坏，可能的原因有物理损坏如雷击损坏，也有可能因为频繁擦写操作引起寿命到期损坏。下面就应用软件方面的可能性进行探讨，寻求延长NAND/eMMC使用寿命的方法。

  闪存的寿命和计算公式

在NAND闪存中，P/E Cycle也称为擦除次数，是判断NAND闪存寿命的关键参数。随着P/E Cycle的增加，浮栅与沟道之间的氧化层被磨损的越来越严重，导致浮栅中电子的控制越来越艰难，最终结果就是：NAND的寿命走到了尽头。每颗NAND闪存，在出厂的那一刻，寿命就固定了。

NAND闪存根据存储颗粒密度和结构差异，可分为SLC、MLC、TLC和QLC。存储密度越来越高，容量越来越大，但单位可擦写次数却越来越少。SLC的密度最低，擦写次数最多，使用寿命最长，但现在很少能买到了，特别是大容量闪存，基本都是MLC、TLC甚至QLC了。一般都说MLC的擦写寿命是3000~10000次，但实际上去咨询半导体原厂，得到的答案通常都是3000次，哪怕三星、海力士以及Skyhigh这样的国际品牌，都是这个答案。eMMC实际上是NAND闪存加了控制器，底层存储还是NAND闪存，所以可在此一并讨论。如何延长闪存的使用寿命，确保存储的数据可靠，是工业产品一直在试图解决的问题。一个NAND闪存能使用多久，我们先给出一个预测公式：

对于特定的Linux系统，文件系统开销可看成一个常数，暂时不考虑。根据公式不难看出，预期使用寿命与分区容量大小、可擦写次数正相关，与写入放大、每天写入的次数以及每次写入的数据量成负相关。在产品设计方案选型阶段，容量、可擦写次数是一个正相关变量，但对于特定的一个产品，闪存一旦选定，可擦写次数也就定了，如果有条件扩大分区容量，也是能改善使用寿命的，但改善非常有限。要想比较有效的提高闪存寿命，必须从分母的写入放大、每天写入的次数以及每次写入的数据量上面来优化。

  写入放大

我们知道，闪存在写入数据前必须先进行擦除，而擦除操作的粒度与写入操作相比低得多，执行这些操作就会多次移动（或改写）用户数据和元数据。因此，要改写数据，就需要读取闪存某些已使用的部分，更新它们，并写入到新的位置，如果新位置在之前已被使用过，还需连同先擦除；由于闪存的这种工作方式，必须擦除改写的闪存部分比新数据实际需要的大得多，这就是写入放大，此倍增效应会增加请求写入的次数。

写入放大，简单的计算公式如下：影响写入放大的因素：

垃圾回收，启用垃圾回收，WA会减小。

预留空间，增大预留空间，能减小WA。

顺序写入，理论上顺序写入，WA为1，当然其他因素会影响到WA。

随机写入，写入到非连续的LBA对写入放大的影响最大。零散写入会带来极大的WA影响。例如写入一个字节，实际上闪存最小写入单位是页，擦除单位是块，这样会影响到在这个块内的所有数据的搬移和写入，数据量会非常大。

数据压缩，数据压缩后再写入，能减少数据量的写入。

删除重复数据，这样能减少磁盘占用，能减小WA。

从公式来看，减小WA能增加闪存寿命，具体方法有启用垃圾回收、增大预留空间、尽量顺序写入、进行数据压缩以及删除重复数据等。

  如何计算数据量？

写入NAND数据量的计算，并不是按照应用程序数据来计算的，这与NAND闪存的结构和擦写方式紧密相关。

一般NAND闪存内部结构分为多个块(Block)，每个块包含多个页面(page)，每个页面又是由有效个数据区和spare area区(即OOB区)组成。NAND闪存以块为单位进行擦除，以页为单位进行读写。

图1 NAND闪存结构示意图

图1所示的NAND闪存，每个页面为4096字节，一个块为64页，整个器件为2048块，总容量为4096*64*2048=512MB。

如果产品使用的NAND是这样的结构，哪怕写入1字节数据，在计算数据量的时候，也得按4096向上取整，即4096字节，而不是1字节。当然，写入4095字节也是按4096向上取整，4096字节。同理，写入4097字节数据，则向上取整为8192字节。

如果不清楚NAND闪存的这些具体信息，可以查看数据手册或者内核启动信息：

  改善措施

综合上述信息，要延长NAND/eMMC的读写寿命，就要尽量减少对闪存的擦写次数，特别是零散数据写入。归纳一下，可以采取以下措施：

1. 合理分区，动静分离

动静数据分离，将数据按修改频率分组。一般可将系统分区与数据分区分开，确保系统分区不受数据写的影响。

有效地使用RAM文件系统。系统log信息，以及应用程序的log信息，不要直接写入闪存，尽量写在RAM文件系统中，仅对异常log定期写入闪存，减少闪存写入次数。

2. 减少数据写入次数

先将数据写在内存里，可以在系统中生成一个Ramdisk并挂载到某个目录，将需要写入到闪存的数据先暂存在这个目录，到一定时间再写到闪存里面去。也可以使用系统的ramfs目录存放暂存数据。将频繁修改的数据存储在一块连续的区域中，并定期将数据迁移到新的区域，以避免在同一区域反复擦写。进行数据压缩，减小写入的数据量，特别是对于海量数据的应用，数据压缩尤为重要。

3. 避免零碎散数据写入

确保在写入数据时，数据块的大小是擦除块大小的整数倍，以避免无效的擦除操作。

4. 维持合理的分区占用率

不要写满分区，维持较低的磁盘占用率，能有效地提高闪存使用寿命。磁盘占用率管理分两种情况，采用系统的磁盘配额管理或者应用程序自行管理。

对于eMMC闪存，在使用Ext3/4文件系统的时候，启用磁盘配额管理，确保磁盘使用率在一个合理的范围之内。注意，启用磁盘配额管理，需要普通用户，建议产品应用程序都运行在普通用户模式，而不是root用户来运行。

对于NAND闪存，一般都会使用Yaffs/Yaffs2文件系统，支持不了磁盘配额。这种情况要想维持合理的磁盘占用率的话，可以写一个磁盘占用率监控程序，当磁盘占用率超过某个阈值，就进行磁盘清理工作，删除不重要或者陈旧的文件，以保持闪存处于比较健康的状态。

无论是NAND还是eMMC，都要定期进行数据处理，对于过期的数据要及时删除，减小无用数据在闪存使用中的搬运和写入次数。

5. 闪存健康管理

对于eMMC，可以在系统中通过mmc_erase_info文件查看eMMC的擦写次数，以判断eMMC的健康状况。一旦eMMC的擦写次数已经接近厂商理论值，就要特别留意此闪存上的数据，并做好预案处理。

对于NAND闪存，不能像eMMC这样方便的查看NAND闪存的擦写次数，则可以自行统计NAND擦写次数，并结合寿命预测公式对NAND闪存的健康状况进行大致判断。

6. 坏块检查和替换

定期进行坏块检测和替换，以防止使用坏块导致的数据丢失和写失败。一旦发现NAND坏块数量超过一定数值，就要对NAND整体健康做重新评估，并启动数据安全性预案处理。

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