news 2026/2/16 5:05:15

【实时 Linux 实战系列】实时 Linux 下的 NAND Flash 低延迟存储

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张小明

前端开发工程师

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【实时 Linux 实战系列】实时 Linux 下的 NAND Flash 低延迟存储

简介

背景与重要性

在嵌入式系统和实时应用中，存储设备的性能对系统的整体响应速度和可靠性起着至关重要的作用。NAND Flash 作为一种广泛使用的非易失性存储技术，因其高容量、低功耗和快速读写速度而被广泛应用。然而，NAND Flash 存在一些固有特性，如坏块、写入限制和延迟波动，这些特性可能会影响实时系统的性能和可靠性。

实时 Linux 操作系统通过优化内核调度和硬件交互，能够显著降低存储延迟，提高系统的实时性和可靠性。因此，掌握如何在实时 Linux 下优化 NAND Flash 存储，对于开发者来说具有重要的价值。这不仅可以提高嵌入式系统的性能，还能确保在关键任务中数据的高可靠性和低延迟存储。

应用场景

  1. 工业自动化：在工业控制系统中，实时数据的快速存储和读取对于系统的稳定运行至关重要。优化 NAND Flash 存储可以确保控制数据的及时处理和存储。

  2. 汽车电子：在汽车电子系统中，如自动驾驶辅助系统，需要快速存储和读取传感器数据，以支持实时决策。

  3. 物联网设备：物联网设备通常需要在低功耗下快速存储和读取数据，优化 NAND Flash 存储可以提高设备的性能和续航能力。

核心概念

NAND Flash 存储延迟特性

NAND Flash 存储具有以下特性，这些特性会影响存储延迟：

  • 写入限制：NAND Flash 的写入操作需要先擦除整个块，这会导致写入延迟增加。

  • 坏块管理：NAND Flash 中存在坏块，需要通过坏块管理机制来避免数据丢失。

  • 读写速度差异：NAND Flash 的读取速度通常比写入速度快，这需要在读写操作中进行优化。

相关协议

在 NAND Flash 存储中，常用的协议包括：

  • SPI (Serial Peripheral Interface)：用于与 NAND Flash 芯片通信，传输数据和控制指令。

  • eMMC (Embedded MultiMediaCard)：一种集成的 NAND Flash 存储解决方案，常用于嵌入式设备。

使用的工具

  • 实时 Linux 操作系统：如 PREEMPT-RT 补丁的 Linux，提供低延迟的实时任务调度。

  • 存储管理工具：如mtd-utils，用于管理 NAND Flash 设备。

  • 性能分析工具：如fio，用于测试存储设备的性能。

环境准备

软硬件环境

操作系统

  • 实时 Linux 操作系统：推荐使用带有 PREEMPT-RT 补丁的 Ubuntu 20.04 或更高版本。PREEMPT-RT 补丁能够显著降低 Linux 内核的延迟，适合实时任务调度。

开发工具

  • 存储管理工具：mtd-utils，用于管理 NAND Flash 设备。

  • 性能分析工具：fio，用于测试存储设备的性能。

  • 代码编辑器：如 VS Code 或 Sublime Text，用于编写和调试代码。

  • 终端工具：用于运行命令和查看系统状态。

硬件设备

  • NAND Flash 设备：如 eMMC 芯片或 SPI NAND Flash 模块。

  • 开发板：如 Raspberry Pi 或 BeagleBone，支持 NAND Flash 设备。

环境安装与配置

安装实时 Linux 操作系统

  1. 下载 Ubuntu 20.04 ISO 文件：

    • 访问 Ubuntu 官网下载 Ubuntu 20.04 ISO 文件。

  2. 安装 PREEMPT-RT 补丁：

    • 下载 PREEMPT-RT 补丁文件：

    • wget https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/projects/rt/5.4/patch-5.4.83-rt44.patch.xz

    • 解压补丁文件：

      unxz patch-5.4.83-rt44.patch.xz

    • 应用补丁到 Linux 内核：

    • sudo apt-get update sudo apt-get install build-essential fakeroot kernel-wedge sudo apt-get build-dep linux cd /usr/src sudo wget https://kernel.ubuntu.com/~kernel-ppa/mainline/v5.4.83/linux-headers-5.4.83_5.4.83-0ubuntu1_all.deb sudo wget https://kernel.ubuntu.com/~kernel-ppa/mainline/v5.4.83/linux-image-unsigned-5.4.83-generic_5.4.83-0ubuntu1_amd64.deb sudo wget https://kernel.ubuntu.com/~kernel-ppa/mainline/v5.4.83/linux-modules-5.4.83-generic_5.4.83-0ubuntu1_amd64.deb sudo dpkg -i *.deb sudo patch -p1 < /path/to/patch-5.4.83-rt44.patch sudo make oldconfig sudo make -j$(nproc) sudo make modules_install install

    • 重启系统并选择新安装的实时内核启动。

安装存储管理工具

  1. 安装 mtd-utils：

  2. sudo apt-get install mtd-utils
安装性能分析工具

  1. 安装 fio：

  2. sudo apt-get install fio

实际案例与步骤

坏块管理

坏块管理是 NAND Flash 存储中的一个重要环节，通过检测和标记坏块，可以避免数据丢失。

实现步骤

  1. 检测坏块：

  2. sudo flash_erase /dev/mtd0 0 0 sudo nanddump --with-ecc /dev/mtd0

  3. 标记坏块：

  4. sudo flash_erase /dev/mtd0 0x10000 1
使用场景和作用

  • 使用场景：在 NAND Flash 设备初始化或定期维护时，检测和标记坏块。

  • 作用：通过标记坏块，避免数据写入到坏块中，提高存储的可靠性。

读写缓存优化

读写缓存优化可以显著提高 NAND Flash 的性能，减少延迟。

实现步骤

  1. 配置读写缓存：

  2. sudo hdparm --fibmap /dev/mtd0 sudo hdparm --set-sector-size 4096 /dev/mtd0

  3. 测试缓存性能：

  4. sudo fio --name=randread --ioengine=libaio --iodepth=16 --rw=randread --bs=4k --size=1G --numjobs=4 --runtime=60 --group_reporting
使用场景和作用

  • 使用场景：在系统初始化或性能优化时，配置读写缓存。

  • 作用：通过优化缓存设置，提高 NAND Flash 的读写速度，减少延迟。

IO 调度器配置

IO 调度器配置可以优化存储设备的读写操作，提高系统的实时性。

实现步骤

  1. 查看当前 IO 调度器：

  2. cat /sys/block/mmcblk0/queue/scheduler

  3. 设置实时 IO 调度器：

    echo "deadline" | sudo tee /sys/block/mmcblk0/queue/scheduler

  4. 测试 IO 性能：

  5. sudo fio --name=randwrite --ioengine=libaio --iodepth=16 --rw=randwrite --bs=4k --size=1G --numjobs=4 --runtime=60 --group_reporting
使用场景和作用

  • 使用场景：在实时系统中，需要优化存储设备的读写操作。

  • 作用：通过设置合适的 IO 调度器，提高系统的实时性和存储性能。

常见问题与解答

坏块管理

问题1：如何检测 NAND Flash 中的坏块？

  • 解答：可以使用nanddump工具检测坏块。例如：

  • sudo nanddump --with-ecc /dev/mtd0

问题2：如何标记坏块？

  • 解答：可以使用flash_erase工具标记坏块。例如：

  • sudo flash_erase /dev/mtd0 0x10000 1

读写缓存优化

问题1：如何配置读写缓存？

  • 解答：可以使用hdparm工具配置读写缓存。例如：

  • sudo hdparm --set-sector-size 4096 /dev/mtd0

问题2：如何测试缓存性能？

  • 解答：可以使用fio工具测试缓存性能。例如：

  • sudo fio --name=randread --ioengine=libaio --iodepth=16 --rw=randread --bs=4k --size=1G --numjobs=4 --runtime=60 --group_reporting

IO 调度器配置

问题1：如何查看当前 IO 调度器？

  • 解答：可以查看/sys/block/mmcblk0/queue/scheduler文件。例如：

  • cat /sys/block/mmcblk0/queue/scheduler

问题2：如何设置实时 IO 调度器？

  • 解答：可以使用echo命令设置实时 IO 调度器。例如：

  • echo "deadline" | sudo tee /sys/block/mmcblk0/queue/scheduler

实践建议与最佳实践

调试技巧

  1. 使用dmesg查看内核日志：可以通过dmesg查看 NAND Flash 设备的内核日志，了解设备状态。

  2. dmesg | grep mtd

  3. 使用iostat监控 IO 性能：可以通过iostat监控存储设备的 IO 性能，优化配置。

  4. sudo apt-get install sysstat sudo iostat -x 1

性能优化

  1. 优化文件系统：使用适合 NAND Flash 的文件系统，如ubifs，可以提高存储性能和可靠性。

  2. 减少写入操作：通过优化应用程序，减少不必要的写入操作，延长 NAND Flash 的使用寿命。

常见错误解决方案

  1. 设备未识别：检查设备连接状态，确保设备正确连接并被系统识别。

  2. 性能瓶颈：使用fio和iostat工具分析性能瓶颈，优化配置。

总结与应用场景

本文通过实际案例详细介绍了在实时 Linux 下优化 NAND Flash 存储的方法，包括坏块管理、读写缓存优化和 IO 调度器配置。通过这些优化措施，可以显著提高 NAND Flash 的性能和可靠性，降低存储延迟。

在实际应用中，这些技术可以应用于工业自动化、汽车电子和物联网设备等多个领域，帮助开发者实现高可靠性和低延迟的存储解决方案。希望读者能够将所学知识应用到真实项目中，进一步探索实时 Linux 在嵌入式存储领域的应用潜力。

通过掌握这些技能，开发者不仅能够提高嵌入式系统的性能，还能确保在关键任务中数据的高可靠性和低延迟存储，为嵌入式系统开发带来更高的效率和质量。

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