从NOR转向使用CS SD NAND：为什么必须加入缓存（Cache）机制？-育师

在传统使用 NOR Flash 的系统中，工程师通常习惯“随写随存”：写入数据粒度小，可以随机写入，不需要复杂的缓存或写入管理机制。不过随着使用场景发生转变，NOR Flash容量小，单位容量成本高，写入速度慢等成为瓶颈，很多工程师开始转向使用CS SD NAND这种NAND Flash产品. 在使用NAND过程中时如果仍然沿用 NOR 的写法，就容易遇到两个问题：

1️⃣ 寿命容易折损

2️⃣ 写入性能不稳定，出现延迟变慢

这些问题背后的根本原因就是：NAND Flash 不同于 NOR Flash，必须配合缓存（Cache/Buffer）来优化写入策略。

一、根本区别：写入粒度与擦除粒度完全不同

项目	NOR Flash	NAND Flash（SD NAND）
写入最小粒度	Byte/Word 级	Page（页）级，通常 2KB~16KB
擦除粒度	Sector（扇区，约4KB）	Block（块），通常包含 64~128 个 Page
坏块管理	一般不需要	芯片内部已自带
写入策略	可随机写入	建议先缓存，再合并写入
是否需要管理算法	通常不需要	芯片内部已有FTL（Flash Translation Layer）

→ 重点：NAND 的最小写入单位是 Page（NOR是Byte），而擦除单位是 Block，这决定了它必须配合缓存使用。

二、不用缓存的后果：写入放大（Write Amplification）

假设主机只写入 200 字节数据（Bytes），这小于 Page 大小，例如SD NAND内部存储单元的物理 page 为 4K。那么 SD NAND 必须执行：

1.把原始 Page 内容读取到 RAM 中

2.在 RAM 中修改那 200 字节

3.将整个 Page（4KB）重新写回

4.如果要写回的Block 已写满，还需要触发 Block 搬移与擦除（擦除一个新的Block，

然后将本次修改后的page数据和旧Block中有效page一个一个的写入新Block中！）（即 Block Copy / Block Merge）

于是就出现了“写入放大（Write Amplification）”：

主机写 200 Bytes 数据，NAND Flash 实际却写了 4KB 甚至更多。

WA（写放大倍数）越高 → Flash 寿命消耗越快 → 性能越不稳定。

缓存机制的意义，就是把零碎数据先暂存，再“合并写入”，减少写入放大。

而NOR Flash由于写入最小颗粒度是Byte，直接写入200字节的数据就好，写入放大的问题比较轻微。只是写入耗时相比做了缓存的NAND会多很多。

三、写入放大的影响

1️⃣ 寿命加速折损（P/E Cycle 快速消耗）

NAND Flash 的寿命主要取决于擦写次数（P/E Cycle）。例如 SLC NAND 一般是 50K~100K 次，如果写入放大严重，实际擦写次数会远高于用户真实写入次数：

示例：

主机实际写入 1GB 数据，但 WA=4，

Flash 实际写入 4GB 数据，相当于寿命减少到原来的 1/4。

我们在客户端碰到过一个极端例子，客户做数据记录设备，写入频次非常高也不做缓存，每次只往SD NAND写入几个字节，几个月以后发现产品寿命出现折损。客户按照自己的理论值推算，总写入量只有20~30GB，远没有达到产品的总写入量，我们预估这种场景下的WA至少是100~上千，因此寿命折损相当厉害

2️⃣ 响应延迟和写入速度变慢

当写入放大导致频繁的后台操作（GC 垃圾回收、Block Merge、Wear-Leveling 磨损均衡），会导致：

写入性能不稳定
存在明显的延迟（几百毫秒甚至更长）
有时主机以为“Flash 卡住了”

这些现象并不是 Flash 性能差，而是没有缓存 + 没有合理写入策略导致的。

具体在使用时会碰到：刚用的时候好好的，用一段时间感觉产品变卡了，响应变慢了也是这个原因。刚开始使用时flash里面都是空白，不太会触发以上操作，但满盘写入几次之后就开始触发频繁的后台操作，响应明显变慢。

四、加入缓存的好处：可控、可预测、可优化

是否使用缓存	写入性能	寿命	响应速度	是否便于调试
未使用	不稳定	快速下降	波动大	难定位问题
使用缓存	稳定	可评估	可预测	可持续优化