容錯是嵌入式系統(tǒng)的圣杯，特別是對于軍事和工業(yè)應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)很常見，停機(jī)時(shí)間成本高昂。然而，最大限度地減少停機(jī)時(shí)間說起來容易做起來難 - 尤其是在存儲方面。

幾十年來，使用獨(dú)立磁盤冗余陣列 （RAID） 技術(shù)的冗余存儲一直在企業(yè)級流行，但嵌入式系統(tǒng)的大小、重量和計(jì)算限制使得在該部門實(shí)施起來變得更加困難。最近，高密度 SSD 在越來越小的外形尺寸中盛行，使得即使在緊湊的嵌入式系統(tǒng)中也可以實(shí)現(xiàn)存儲冗余。隨著超緊湊的硬件RAID控制器，我們可能正在進(jìn)入一個新時(shí)代，在這個時(shí)代，高可用性的嵌入式存儲不再是矛盾的。

在創(chuàng)建可靠的存儲系統(tǒng)時(shí)，冗余是關(guān)鍵。自 20 世紀(jì) 90 年代以來，使用 RAID 鏡像磁盤一直是常見的做法，RAID 是一種用于跨驅(qū)動器鏡像數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)，允許構(gòu)建容錯存儲系統(tǒng) - 即使使用相對便宜的硬件也是如此。如果驅(qū)動器發(fā)生故障，其鏡像備份可以接管，從而在實(shí)施良好的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)最少甚至沒有停機(jī)時(shí)間。

雖然RAID對服務(wù)器應(yīng)用程序很有意義，但在嵌入式系統(tǒng)級別實(shí)現(xiàn)它是一個挑戰(zhàn)。在SSD普及之前，硬盤驅(qū)動器是主要的存儲介質(zhì)。它們的尺寸和重量意味著對于大多數(shù)（如果不是全部）嵌入式應(yīng)用程序來說，擁有冗余驅(qū)動器是不可能的。

當(dāng)固態(tài)硬盤進(jìn)入市場時(shí)，RAID仍然難以實(shí)施。閃存存儲最初非常昂貴，對于許多應(yīng)用程序來說，冗余嵌入式存儲的成本過高。即使使用SSDS，尺寸也是一個問題，因?yàn)樵缙诘腟SD并不總是比它們更換的硬盤驅(qū)動器小。

傳統(tǒng)上，管理RAID所需的計(jì)算能力需要笨重的硬件RAID控制器（對于空間受限的系統(tǒng)不切實(shí)際）或軟件RAID控制器。雖然軟件RAID控制器在節(jié)省空間方面是有意義的，但對于嵌入式系統(tǒng)來說，它并不總是正確的選擇。嵌入式計(jì)算機(jī)通常是大小和能量受限的系統(tǒng)，無法承受運(yùn)行RAID軟件的CPU和內(nèi)存開銷。

可靠性與容錯

由于在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)存儲冗余存在各種挑戰(zhàn)，因此最大限度地減少嵌入式存儲的停機(jī)時(shí)間傳統(tǒng)上側(cè)重于可靠性而不是容錯。通過確保使用高質(zhì)量的組件并設(shè)計(jì)具有更高平均故障時(shí)間（MTTF）的可靠系統(tǒng)，可以延長使用壽命和運(yùn)行時(shí)間。

機(jī)械硬盤容易出現(xiàn)多種故障模式。振動、沖擊和普通的舊磨損意味著驅(qū)動器是否會發(fā)生故障，而是何時(shí)發(fā)生故障。制造可靠的硬盤意味著使用更高質(zhì)量的組件和堅(jiān)固的機(jī)械設(shè)計(jì)，以更好地承受沖擊和振動。

如今的固態(tài)硬盤采用固態(tài)設(shè)計(jì)，可消除機(jī)械問題作為故障模式，但在驅(qū)動控制器或存儲介質(zhì)級別仍可能發(fā)生故障。閃存單元的寫入周期數(shù)有限，然后單元不再準(zhǔn)確存儲位狀態(tài)。因此，雖然閃光燈在面對沖擊和振動時(shí)很堅(jiān)固，但需要仔細(xì)監(jiān)控固態(tài)硬盤的寫入耐久性。

因此，對于固態(tài)硬盤，提高可靠性需要使用工業(yè)驅(qū)動器，這些驅(qū)動器具有針對可靠性和寫入耐久性（而不是純性能）而優(yōu)化的驅(qū)動器控制器，以及使用更高等級的閃存。工業(yè)系統(tǒng)通常不使用消費(fèi)級多級單元（MLC）閃存，而是使用單級單元（SLC）或類似SLC的閃存，如iSLC。這些更高等級的閃存比MLC閃存長，可持續(xù)數(shù)千個寫入周期，從而大大延長了存儲使用壽命。

雖然提高可靠性始終是工業(yè)系統(tǒng)的主要目標(biāo)，但真正的彈性也需要容錯能力。要了解如何創(chuàng)建容錯，我們只需要查看企業(yè)數(shù)據(jù)中心 - 其中停機(jī)時(shí)間可能花費(fèi)數(shù)千至數(shù)百萬美元。在這些關(guān)鍵任務(wù)環(huán)境中，可靠的組件與容錯設(shè)計(jì)相結(jié)合，以創(chuàng)建高度可用的系統(tǒng)。

可用性（可被視為最大限度地減少停機(jī)時(shí)間）通過兩種方式進(jìn)行處理。第一種方法是延長系統(tǒng)的使用壽命，即提高可靠性。另一種方法是減少恢復(fù)系統(tǒng)所需的時(shí)間，從而提高容錯能力。

容錯嵌入式存儲

容錯存儲需要存儲冗余 - 沒有辦法繞過它。值得慶幸的是，如今，SSD和RAID控制器的大小都大大縮小了。

［圖1|像這樣的M.2固態(tài)硬盤M.2 3SE3驅(qū)動器將高達(dá)32GB的存儲空間打包成一個微小的22x42x3.5mm外形］

雖然SSD最初與他們更換的3.5英寸硬盤驅(qū)動器大小相同，但今天的mSATA和M.2外形尺寸的SSD甚至使2.5英寸筆記本電腦驅(qū)動器看起來像超大的龐然大物。這些緊湊型 SSD 的尺寸不到撲克牌的一半，其厚度以毫米為單位。

RAID控制器也經(jīng)歷了嚴(yán)重的節(jié)食。過去需要完整 PCIe 卡的功能現(xiàn)在可以在 SoC 型芯片上實(shí)現(xiàn)。當(dāng)與正確的固件配對時(shí)，新一代RAID控制器旨在與SSD配合使用，而不是與SSD配合使用。

對于當(dāng)今的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來說，市場上有許多適用于各種存儲外形規(guī)格的選項(xiàng)：

［圖2 |這款 E2SS-32R2 xRAID 控制器采用 2.5 英寸驅(qū)動器外殼，將雙 M.2 SSD 陣列虛擬化為單個 2.5 英寸驅(qū)動器。

對于具有現(xiàn)有 2.5 英寸驅(qū)動器插槽的大型系統(tǒng)，這些 AID 控制器模擬 2.5 英寸磁盤。它們由一個硬件 RAID 控制器組成，該控制器具有兩個用于冗余 SSD 的 mSATA 或 M.2 插槽，可以配置為 RAID 1 或 RAID 0 配置以提高性能，它們顯示為主機(jī)系統(tǒng)的普通 2.5 英寸驅(qū)動器，同時(shí)提供冗余和容錯能力，或者在 RAID 0 的情況下提供更高的性能。

［圖3|這款 EGSS-32R1 RAID 控制器集成在 22x42x11mm M.2 外形中，是目前市面上最小的 RAID 控制器卡。

對于較小的系統(tǒng)，mSATA 或 M.2 接口可以提供當(dāng)今最緊湊的 RAID 配置之一。就像 2.5 英寸磁盤更換一樣，mSATA 或 M.2 RAID 控制器插入相應(yīng)的接口并呈現(xiàn)單個驅(qū)動器。實(shí)際上，它通過與兩個 SATA 驅(qū)動器的物理連接提供存儲冗余。

這些 SATA 驅(qū)動器可以是使用柔性電纜連接的正常大小的 SATA 驅(qū)動器，也可以是為了獲得最大的空間效率，SATADOM 驅(qū)動器是直接連接到 SATA 連接器的緊湊型 SSD。因諾迪斯克的 SATADOM 驅(qū)動器具有從垂直到水平的各種物理配置，以適應(yīng)各種嵌入式系統(tǒng)。

[圖4|像這樣的SATADOM驅(qū)動器因諾迪斯克SH 3SE3有垂直和水平配置，以適應(yīng)空間受限的嵌入式系統(tǒng)]

雖然對于大多數(shù)低功耗嵌入式系統(tǒng)來說，這不是一種選擇，但具有嚴(yán)重空間限制的高端嵌入式PC可以考慮將雙 SSD與軟件RAID結(jié)合使用。mSATA、M.2 和 SATADOM 固態(tài)硬盤的緊湊特性使其成為終極的緊湊型 RAID 配置，但軟件 RAID 的 CPU 和內(nèi)存使其僅適用于具有支持此配置資源的高端嵌入式系統(tǒng)。

實(shí)施高可用性嵌入式存儲

容錯冗余 RAID 存儲與可靠的工業(yè)級 SSD 驅(qū)動器（如 SLC 或 iSLC 級 SSD）相結(jié)合，使嵌入式系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)真正的高可用性。可靠性（故障前的時(shí)間）和容錯（修復(fù)時(shí)間）都得到了解決，從而最大限度地減少了存儲子系統(tǒng)的停機(jī)時(shí)間。

容錯功能也可以單獨(dú)使用，適用于 MLC 級 SLC。對于低寫入周期應(yīng)用程序，這是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且非常有效的方法，可最大限度地減少停機(jī)時(shí)間。

雖然這是一個漫長而艱巨的旅程，但 SSD 和 RAID 控制器的小型化使當(dāng)今的嵌入式系統(tǒng)最終能夠?qū)崿F(xiàn)真正的容錯存儲。

審核編輯：郭婷