盡管閃存和其他非易失性存儲器技術(shù)被廣泛用于實現(xiàn)嵌入式文件系統(tǒng)，但這對于某些嵌入式應(yīng)用程序來說可能過于復(fù)雜。在許多情況下，內(nèi)存可能有效地用作已預(yù)初始化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這種方法需要對數(shù)據(jù)完整性進(jìn)行一些管理。本文介紹了挑戰(zhàn)并提供了一些使用 NVRAM 的簡單解決方案。

NVRAM簡介 
在現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)中，有大量的內(nèi)存。其中大部分是名稱不合時宜的隨機(jī)存取存儲器 (RAM)。這個名字沒什么意義，因為現(xiàn)在所有的內(nèi)存都是隨機(jī)訪問的。當(dāng)工程師談?wù)?RAM 時，他們指的是易失性半導(dǎo)體存儲器，只要通電，就可以無限期地寫入和讀取。它并不總是這樣。在計算機(jī)的早期，常見的程序/數(shù)據(jù)存儲形式是“內(nèi)存”。按照現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)，這是笨重的（更不用說昂貴了?。?，但有一個有用的特性：它是非易失性的。讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)需要電源，但不需要電源來保留數(shù)據(jù)。在內(nèi)存斷電的情況下，數(shù)據(jù)將無限期保持不變。有趣的是，跌落或振動內(nèi)存可能會破壞其內(nèi)容，

盡管現(xiàn)代計算機(jī)和大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的工作內(nèi)存主要是 RAM，但擁有一定數(shù)量的非易失性 RAM (NVRAM) 仍然很有用。這可以使用閃存或其他一些具有非易失性（如 MRAM）的存儲技術(shù)來實現(xiàn)，或者它可以是具有受保護(hù)電源（即電池）的常規(guī) RAM。NVRAM 在嵌入式系統(tǒng)中有多種可能的用途：

• 在啟動時復(fù)制到 RAM 中的程序代碼和常量數(shù)據(jù)的存儲。盡管在 NVRAM 之外執(zhí)行通常是一種選擇，但某些 NVRAM 技術(shù)的速度（訪問時間）使其沒有吸引力。
• 在電源循環(huán)之間保留設(shè)備設(shè)置參數(shù)。許多設(shè)備都是用戶可配置的；這些信息需要存儲在某個地方。
• 長時間緩沖獲取的數(shù)據(jù)，不受電源故障影響。一個簡單的例子可能是在數(shù)碼相機(jī)中存儲照片。

NVRAM管理

從廣義上講，可以通過以下兩種方式之一使用 NVRAM：

• 類似于硬盤驅(qū)動器上使用的文件系統(tǒng)，可以在 NVRAM 中實現(xiàn)。它需要以一種優(yōu)化介質(zhì)（如閃存）使用的方式實現(xiàn)，并且能夠適應(yīng)寫入數(shù)據(jù)期間發(fā)生的電源故障。實施數(shù)據(jù)加密等安全功能也可能是謹(jǐn)慎的做法。
• 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以簡單地位于 NVRAM 中并直接從 NVRAM 訪問。這需要針對非易失性進(jìn)行特定調(diào)整。

許多供應(yīng)商提供專為在 NVRAM 中使用而設(shè)計的現(xiàn)成文件系統(tǒng)軟件。除非需要某些專門的功能，否則開發(fā)人員自己設(shè)計在經(jīng)濟(jì)上是有問題的。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的存儲更特定于應(yīng)用程序，因此將進(jìn)一步解決。

適應(yīng)非易失性 
使用普通的易失性 RAM 很簡單。它必須在加電時初始化為已知值，然后可以根據(jù)需要寫入和讀取。使用 NVRAM 有兩個新的挑戰(zhàn)：

• 上電時，軟件需要識別 NVRAM 是否已初始化，如果沒有，則執(zhí)行該初始化。
• 數(shù)據(jù)的完整性，尤其是在斷電一段時間后，需要是可驗證的。

NVRAM 初始化 
當(dāng) NVRAM 次上電時，與普通 RAM 一樣，它包含不確定的數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行初始化。在隨后的情況下，軟件需要識別 NVRAM 已初始化并且不會覆蓋此保存的數(shù)據(jù)。

實現(xiàn)這種識別的簡單方法是使用簽名，它只是一個可以快速識別的字節(jié)序列，不能隨機(jī)出現(xiàn)。當(dāng)然，這種理想是不可能的，因為任何字節(jié)序列，無論多長，都可能隨機(jī)出現(xiàn)。這只是將這種可能性降到的問題，同時仍然使檢查變得快速和容易。如果簽名只有 4 個字節(jié)，則它隨機(jī)出現(xiàn)的幾率為 40 億比 1。這對于幾乎任何可以想象的應(yīng)用程序來說已經(jīng)足夠了。并且可以快速檢查 32 位值。

通過仔細(xì)選擇簽名值，可以減少意外發(fā)生的機(jī)會。直覺上，一系列連續(xù)的數(shù)字（例如 1、2、3、4）感覺比“隨機(jī)”集合更不可能。畢竟，彩票產(chǎn)生連續(xù)的數(shù)字序列是什么時候？當(dāng)然，這樣的序列與任何其他序列一樣有可能或不太可能。然而，通過思考記憶是如何工作的，可能會增加特定序列的可能性。內(nèi)存在首次通電時可能具有哪些值？大致有四種可能：

1. 完全隨機(jī)
2. 全為零
3. 所有的
4. 反映芯片架構(gòu)的一些規(guī)則模式（如交替的 1 和 0）

如果是 (1)，那么任何簽名都會給我們 40 億比 1 的機(jī)會。任何其他人都可以通過使用正確的簽名來檢測。一種可能性如下：0x00、0xff、0xaa、0x55。這應(yīng)該涵蓋所有 (2)、(3) 和 (4)，并且仍然只有 32 位。

需要注意初始化序列。必須設(shè)置有效數(shù)據(jù)，然后將簽名初始化為過程中的一件事。

NVRAM 完整性 
當(dāng)然，使用簽名并不能保證數(shù)據(jù)的完整性。明智的做法是使用校驗和或 CRC 進(jìn)行錯誤檢查，甚至是數(shù)據(jù)自校正機(jī)制。

使用 NVRAM 啟動系統(tǒng) 
當(dāng)使用 NVRAM 時，啟動邏輯需要同時支持簽名驗證和數(shù)據(jù)完整性檢查：

結(jié)論 
在嵌入式設(shè)計中使用 NVRAM 很簡單，但需要仔細(xì)考慮其功能，如此處所述。使用全局簽名和錯誤檢查的方法適用于許多應(yīng)用程序。對于非常大的數(shù)據(jù)庫，對每個數(shù)據(jù)塊進(jìn)行單獨(dú)檢查可能會更有效。也可能值得使用 C++ 向應(yīng)用程序代碼開發(fā)人員隱藏 NVRAM 管理，從而限度地減少程序員錯誤的可能性。