當今無(wú)線(xiàn)電話(huà)，PDA等移動(dòng)系統的設計人員，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，以及I/O器件，感到十分困惑。需要綜合考慮進(jìn)入市場(chǎng)的時(shí)限，成本，開(kāi)發(fā)的工作量，尺寸，功耗，重量，性能等等一大堆限制和要求，結合各種各樣器件的特長(cháng)，進(jìn)行優(yōu)化搭配。由于各個(gè)項目的側重點(diǎn)不同，項目的最佳解決方案也不可能相同。
一切運行算法的電子系統基本上都可以看作是一臺有限狀態(tài)機。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)機當前狀態(tài)的寄存器。機器一通電，系統必須從非易失性存儲器取得數據進(jìn)行初始化；還需要得到向下一狀態(tài)轉換的全部程序編碼?？扉W存儲器作為移動(dòng)通信設備存儲程序編碼的存儲器，作用非同小可。
系統的存儲結構
目前快閃存儲器的種類(lèi)繁多，足夠系統設計人員選擇。應該根據所選定的對通信系統要求，選擇最合適的快閃存儲器。目前移動(dòng)通信系統的基本構造大體上分為三類(lèi)：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(dòng)。接著(zhù)BIOS被復制到DRAM中去，以便加快執行的速度。隨后操作系統和應用軟件也先后被復制到DRAM中去，以便執行。PC模式的特點(diǎn)有三條。第一，啟動(dòng)速度慢；并且隨著(zhù)操作系統復雜程度的增加，啟動(dòng)的速度也更慢。對于消費類(lèi)電子產(chǎn)品這樣慢的啟動(dòng)過(guò)程，用戶(hù)是無(wú)論如何也不能接受的，必須加以改進(jìn)。第二，執行速度快。由于操作系統和應用軟件都復制到DRAM，由RAM來(lái)執行可以達到最快的速度。當然這要求DRAM具有相當大的容量。此外，斷電時(shí)需要先將機器的狀態(tài)保存到非易失性存儲器中去，因此該過(guò)程速度較慢。第三，功耗比較大。PC模式主要考慮的是達到最高的性能，沒(méi)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(pán)。盡管這種模式的性能最好，但是由于功耗大，重量重，啟動(dòng)慢，很難將它推廣到比較小的電子產(chǎn)品方面去；特別是推廣應用到移動(dòng)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中，一般都是直接從非易失性存儲器中取得程序編碼來(lái)執行。如果有外部RAM存在，那么它一定是SRAM，因為，所需的RAM容量不大，不需要將編碼映射到RAM中去，因此系統中也沒(méi)有內置DRAM控制器。此外，SRAM的待機功率比較小，這一點(diǎn)對于依靠電池供電的系統非常重要。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，通常都是直接從閃存中讀取啟動(dòng)編碼/OS/應用程序，并執行的。因此閃存內需要有隨機存取的接口，所以只有NOR-型的閃存才能用。小型微處理器系統的另一個(gè)特點(diǎn)是速度慢。并且由于目前閃存的速度還比SRAM慢得多，從閃存讀取程序執行，還不能達到與SRAM相同的性能。許多消費類(lèi)電子產(chǎn)品，如無(wú)線(xiàn)電話(huà)和有線(xiàn)電視機頂盒都是采用小型微處理器模式。這些機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，但不是限制當前系統性能的因素。
中型微處理器模式
采用此種模式的系統為了追求良好性能，需要相當大容量的DRAM，用來(lái)存儲互聯(lián)網(wǎng)的瀏覽器程序和Windows CE操作系統。同時(shí)采用快閃存儲器來(lái)存儲OS，應用軟件，和數據。這些系統在啟動(dòng)時(shí)從一個(gè)較小容量的NOR-型閃存中取得引導程序。操作系統和應用軟件是從大容量閃存復制到系統內存DRAM中去，供執行時(shí)取用。數據則儲存在大容量閃存中待用。
快閃存儲器的類(lèi)型
按照存儲單元的基本結構，閃存可以分為NOR型和NAND型兩類(lèi)。組成它們的晶體管結構是相同的，和普通MOS晶體管相比，多了一個(gè)稱(chēng)為浮柵的，由多晶硅作成的控制極，周?chē)啥趸杞^緣。兩種類(lèi)型快閃存儲單元的區別只是連接方法不同。
簡(jiǎn)化了的NOR單元如圖1所示，它和邏輯電路中的NOR門(mén)電路類(lèi)似，存儲單元的晶體管都并連到一個(gè)位線(xiàn)。任何一個(gè)晶體管導通，存儲單元的位線(xiàn)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(gè)位線(xiàn)。和NAND門(mén)電路相同，只有當單元中所有的晶體管都導通，位線(xiàn)才為0。
圖1 典型的NOR單元結構
圖2 典型的NAND單元結構
兩類(lèi)閃存各有所長(cháng)。NOR型隨機讀取的速度比較快，擦除和寫(xiě)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，都有單獨的地址，數據和控制線(xiàn)，便于直接讀??；可以和微處理器連接，直接執行程序編碼。
而NAND結構的閃存，相對來(lái)說(shuō)讀取速度較慢，而擦除和寫(xiě)入速度則比較快。因此NAND閃存往往用來(lái)傳送整“頁(yè)”的數據，即將存儲陣列中的數據直接傳至微處理器內部的容量達528字節的寄存器。閃存直接和8位數據總線(xiàn)連接，一次傳一個(gè)字節。這樣如果一次讀出一個(gè)扇面，總的讀取時(shí)間和NOR閃存相差不多。NAND閃存的集成度比較高，主要設計用作固態(tài)文件存儲，沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的地址線(xiàn)和數據線(xiàn)，只有控制線(xiàn)和8位I/O端口。和硬盤(pán)驅動(dòng)器的IDE接口相似，當NAND閃存更新?lián)Q代成倍增加容量時(shí)，對外物理連接可以保持不變。由于集成度高，寫(xiě)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
隨機讀取時(shí)間 80 ns / 16位字 15 μs / 528字節（頁(yè)）
扇面讀取速度 13．2兆字節/秒 12．7兆字節/秒
寫(xiě)入速度 0.2兆字節/秒 2.1 兆字節/秒
擦除速度 0．08兆字節/秒 5．3兆字節/秒
未來(lái)的結構
近年來(lái)閃存的結構雖然變化不大，但是閃存的制造技術(shù)卻一直在不斷改進(jìn)。主要表現在特征尺寸不斷縮小。目前主要廠(chǎng)家采用的最先進(jìn)工藝，特征尺寸是0.3微米。這個(gè)趨勢還會(huì )繼續。結果導致每片的存儲容量增加，平均每位的價(jià)格不斷下降。隨著(zhù)尺寸的縮小，為了保持晶體管內部場(chǎng)強不至于過(guò)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出來(lái)。因為在片內安裝了電壓變換器，外加的電壓和內部單元的工作電壓并不完全一致。電源電壓的降低可以節約功耗，對于移動(dòng)電子產(chǎn)品是有利的。
閃存發(fā)展的一個(gè)重要方面是MLC ( multilevel cell )多電平單元的出現。絕大多數存儲器存儲一位信息至少需要一個(gè)晶體管。在晶體管中兩種狀態(tài)（1或0）的區分依靠電位，一個(gè)閾電壓區分了兩個(gè)狀態(tài)。而閃存區分狀態(tài)是依靠浮柵上的電荷數量。如果能夠區分四種電荷量，每只晶體管就可以用四個(gè)狀態(tài)來(lái)存儲兩位信息。如果能夠區分八種電荷量，也就是可以區分八種狀態(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。但是由于片內除了存儲單元以外還有許多輔助線(xiàn)路，效益并不是完全的線(xiàn)性關(guān)系。此外，MLC的寫(xiě)入時(shí)間也增加了3到4倍。寫(xiě)入的數據能夠保存的時(shí)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(zhù)閃存技術(shù)的日趨成熟，針對某些特殊應用進(jìn)行優(yōu)化，開(kāi)發(fā)一些特殊用途的器件對于閃存來(lái)說(shuō)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。
RWW ( read-while-write ) NOR閃存，或稱(chēng)邊讀邊寫(xiě)存儲器，是為手機儲存電話(huà)號碼，姓名等數據而開(kāi)發(fā)的?？梢詾槭謾C減少一個(gè)EEPROM芯片。RWW NOR閃存實(shí)際上是在一個(gè)芯片上安置兩個(gè)或更多存儲陣列（或者在同一封裝內安放兩個(gè)芯片），一個(gè)用于讀取，另一個(gè)用于寫(xiě)入。
同步閃存 NOR閃存的優(yōu)點(diǎn)是讀取速度快，但它仍然需要繼續提高。隨著(zhù)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(lái)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(kāi)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，需要將OS和應用軟件從外存復制到內存，啟動(dòng)時(shí)間不可避免較長(cháng)。一直在不斷努力縮短啟動(dòng)時(shí)間。近來(lái)發(fā)現RAM中存儲的數據和程序，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(lái)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(dòng)時(shí)間。如果沿著(zhù)這個(gè)方向努力，可能實(shí)現隨時(shí)開(kāi)機隨時(shí)可以工作。不但可以節約功耗，而且無(wú)需讓機器等人，也無(wú)須讓人等機器，也提高了效率。
采用小型微處理器模式的新型移動(dòng)通信產(chǎn)品也在推動(dòng)閃存改進(jìn)技術(shù)。隨著(zhù)通信繼續不斷推廣應用，要求用戶(hù)始終開(kāi)機，以便在任何時(shí)刻，任何地方都能收到信息。這也要求無(wú)線(xiàn)電手機內裝越來(lái)越多的功能，例如語(yǔ)音識別，視像接收處理。至于PDA和手機是否應合二為一？也許是，沒(méi)有人希望用一個(gè)萬(wàn)能但卻難于駕馭的四不像，雖然什么功能都有卻并不常用。對于這些應用，電池的壽命是最重要的事情。
下一代的移動(dòng)通信裝置和信息電子產(chǎn)品最為關(guān)鍵的是要具有強大的處理能力，并且能使用戶(hù)用最簡(jiǎn)單方式處理最復雜的操作。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。
結束語(yǔ)
閃存已經(jīng)成為今日系統中的關(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，閃存還將依據市場(chǎng)的需求，不斷地改進(jìn)并向專(zhuān)用化發(fā)展?！觯ㄍ跽A）
