非易失性存储技术综合对比：EEPROM、NVRAM、NOR Flash、NAND Flash和SD卡

非易失性存储技术综合对比：EEPROM、NVRAM、NOR Flash、NAND Flash和SD卡

读写性能对比

存储类型	读取速度	写入速度	随机访问能力	最小操作单位
NVRAM	极快(~10ns)	极快(~10ns)	极优(字节级)	字节
EEPROM	中等(~100ns)	慢(~5ms/字节)	优(字节级)	字节
NOR Flash	快(~50ns)	慢(~5ms/页)	好(字节读)	字节读/块擦
NAND Flash	中等(~25μs/页)	中等(~300μs/页)	差(页级)	页(2-16KB)
SD卡	中等到快(~25MB/s)	中等(~10MB/s)	差(块级)	扇区(512B)

可靠性与寿命

存储类型	擦写次数	数据保持	错误率	环境耐受性
NVRAM	几乎无限(>10^16)	数年-数十年	极低	高
EEPROM	高(~10^6次)	>10年	低	高
NOR Flash	中(~10^5次)	>10年	低	中高
NAND Flash	低(~10^4次)	5-10年	高(需ECC)	中
SD卡	低(~3000-10000次)	5-10年	高(内置ECC)	中(需物理保护)

容量与成本

存储类型	典型容量范围	单位容量成本	物理尺寸	集成度
NVRAM	1KB-1MB	极高	小	低
EEPROM	1KB-1MB	高	小	低
NOR Flash	1MB-256MB	中	中	中
NAND Flash	1GB-数TB	低	中	高
SD卡	8GB-1TB	最低	大(可移动)	最高

接口与使用难度

存储类型	常见接口	控制复杂度	软件支持要求	替换难度
NVRAM	并行/SPI	简单	低	中等
EEPROM	I²C/SPI	简单	低	简单
NOR Flash	并行/SPI/QSPI	中等	中	中等
NAND Flash	8/16位并行/SPI	复杂	高(需FTL/文件系统)	中等
SD卡	SD/SPI	中等	高(需文件系统)	极简单

典型应用场景

• NVRAM: 关键配置数据、安全参数、需要频繁更新的小数据
• EEPROM: 设备校准参数、配置设置、序列号、中等频率更新的小数据
• NOR Flash: 启动代码、固件存储、需XIP执行的程序
• NAND Flash: 大量数据存储、操作系统、应用程序存储
• SD卡: 用户数据、可移动存储、日志记录、多媒体文件、数据交换

综合推荐

• 关键小数据、高可靠性要求: NVRAM或EEPROM
• 代码存储与执行: NOR Flash
• 大容量、成本敏感应用: NAND Flash
• 需要可移动性: SD卡
• 混合架构: 使用NOR Flash引导 + NAND Flash存储 + EEPROM/NVRAM配置

在实际嵌入式系统设计中，通常会根据应用需求结合使用多种存储技术，以平衡性能、可靠性、容量和成本的需求。

Flash存储的均匀磨损管理

Flash存储（包括NOR Flash和NAND Flash）由于擦写次数有限，确实需要进行均匀磨损(Wear Leveling)管理。这是Flash存储管理中一项关键技术，尤其对于经常写入的系统至关重要。

为什么需要均匀磨损

1. 有限的擦写寿命：每个存储单元只能承受有限次数的擦写操作（NOR Flash约10万次，NAND Flash约1万次）

2. 不均衡使用问题：在没有特殊管理的情况下，某些区域（如文件系统元数据区）可能频繁写入，而其他区域很少使用

3. 早期故障风险：如果不进行管理，高频使用区域会提前达到擦写上限，导致整个存储设备报废，即使大部分存储单元仍可用

均匀磨损的主要技术

1. 静态均衡：

   • 将逻辑地址映射到不同物理块，让静态数据占用不同物理位置
   • 定期移动很少更改的数据（如固件代码），释放低擦写计数的块

2. 动态均衡：

   • 跟踪每个擦除块的擦写次数
   • 写入数据时优先使用擦写次数较低的块
   • 数据更新时将新数据写入不同物理位置

3. 保留块技术：

   • 预留一定比例的存储空间作为替换区
   • 当某块接近擦写上限时，将其标记为坏块并使用保留块替换

实现方式

• FTL (Flash Translation Layer)：在NAND Flash中常用，管理逻辑地址到物理地址的映射

• 文件系统级别：如JFFS2、YAFFS、F2FS等专为Flash设计的文件系统自带均匀磨损算法

• 硬件控制器：现代SSD、eMMC以及部分高端SD卡在硬件控制器中集成均匀磨损功能

均匀磨损的挑战

• 性能开销：数据移动和映射管理带来额外操作延迟
• RAM需求：需要存储映射表和擦写计数信息
• 电源故障保护：防止映射表损坏导致数据丢失

在实际嵌入式系统中，对于大容量存储（NAND Flash、SD卡）几乎总是需要均匀磨损策略；而对于小容量存储（如启动NOR Flash），可通过合理应用设计（减少写操作，数据分区）来延长寿命。