关于 Raspberry Pi 上 SD 卡的健康状况

SD卡是--紧挨着电源--Raspberry Pi的一个重要的附加组件。监控它的健康状况对于确保你的Raspberry Pi操作系统的顺利运行和良好的用户体验非常重要。这篇文章将告诉你如何检查和监测你的microSD卡的健康状况的几种方法。

首先，我将深入介绍存储卡的工作原理，让你了解检查 SD 卡健康状况的可能性和局限性。

然后，我将介绍如何通过减少 Raspberry Pi 用户遇到的常见问题来保护 microSD 卡。我们还将介绍我们推荐的适用于 Raspberry Pi 的最佳 microSD 卡品牌。

如果你愿意，也可以跳到下面，直接获取Linux命令来检查当前microSD卡的状态。

基础知识。微型SD卡内部

microSD卡包含一个闪存芯片（在图片的左边），和一个微控制器（在图片的右边，通常基于ARM）。

闪光灯

闪存通过以下方式存储信息 "诱捕 "电子这是用高电压通过非导体 "注入 "到所谓的 "非导体 "中。 浮动门(**).因此，电子是一个晶体管的一部分，它可能允许也可能不允许连接的电流流动，这取决于浮动门的电荷。理论上，它们不能流走。 因为浮动门是电隔离的.这意味着即使关闭电源，信息也不会丢失。

信息总是在源极（S）和漏极（D）之间读取。引入浮动栅极的电子增加了例如晶体管的阈值电压，从那里开始会有电流流动。然后，晶体管在正常的读取电压下阻断（不导电）。

在对浮动栅极进行编程时，需要比正常读取操作（如 3.3 V）高得多的电压（如 10 V）。为此，控制栅极（V1/V2/V3）发挥了关键作用。

为了擦除所有内容，控制栅极通过施加高负压将电子赶出浮动栅极。

microSD卡中使用的NAND闪存组件将单个存储晶体管分成页，并将若干页分成块。一个页面有512到8192个字节，一个块最多可以包含256个页面（因此，在8kB的页面大小下，总共有2048kB）。

写入（逻辑 "1"）可以按位或至少按字节/字节顺序进行。擦除（逻辑 "0"）只能按顺时针方向进行。如果有任何未更改的信息，则必须重新编程。

由于编程和擦除的原因，闪存的使用寿命有限，我们以擦除周期来计算。

寿命有限的原因是绝缘氧化层受损，该层保护浮动栅极，防止高电压造成的电荷泄漏。一旦该层导电，存储单元就无法保存更多信息。

旁观者清。多层次细胞记忆单元

最初，只有两种电荷状态(1比特的信息)。现在，由于每个晶体管有多个浮动栅极，多级单元存储单元可以存储不同的电荷状态，因此每个存储晶体管可以存储多个比特。在读出过程中，系统会评估施加的电流在晶体管中的传导情况。

一方面，这使得大大增加存储单元的密度成为可能，但另一方面，读出速度较慢，存储单元对电荷损失的位错误反应更加敏感。对于单级单元，可以进行100,000到1,000,000次的写入-擦除循环，对于TLC（三级单元，每个存储单元有三个比特），可以进行大约1000次写入-擦除循环。

这就是工业SD卡通常具有较低的内存密度，并使用SLC（单层单元）的原因，以获得更好的数据完整性。.

控制器

控制器的任务是管理闪存，特别是执行 磨平和读错校正.microSD卡的性能和寿命决定性地取决于控制器中使用的算法。

由于上述浮动栅极的绝缘氧化层的损坏，闪存不能按要求频繁地进行重写。为了避免对特别频繁使用的个别区域的损坏。 控制器改变物理分配给可由文件系统进行逻辑寻址的块（=损耗均衡）。

这种物理分配的变化也是写测试SD卡的原因（通过写和读的坏块工具等），实际上不能识别真正的坏块，也不能让你在操作系统/文件系统层面上避免它们。只有microSD卡内的闪存控制器知道在任何给定的时刻，哪个区块被写入/读出，而且正如所讨论的那样，这可能会随着时间而改变。

有缺陷的块（坏块）已经存在于全新的闪存中。这些有缺陷的块被标记在闪存的一个特殊区域。

单个区块的纠错信息也被管理，这样可以通过校验来纠正读取错误。控制器将有集群读取错误的块添加到坏块列表中，并转移逻辑块的实际物理分配。

microSD卡通常有--取决于制造商--大约10%的备用容量，可以用好的 "储备块 "交换坏的块。

肮脏的小秘密。闪存问题

删减只是顺时针方向的

数据只能被逐块擦除。擦除会给存储单元带来压力，并缩短它们的寿命--新的坏块被创造出来。

出厂的有缺陷的块状物

闪存在出厂时已经带有缺陷块。在操作过程中，会有更多的有缺陷的块（坏块）加入。因此，控制器试图通过损耗均衡来尽可能地均匀地写入/擦除块。

MLC和TLC特别敏感

多级单元存储单元（MLC）减少了擦除周期的数量，从而降低了长期可靠性。

阅读打扰

有一种现象我还没有提到，但却特别敷衍，那就是 阅读打扰.即使只是从卡上读取，它也可以--只是通过读取--导致同一区块中相邻的存储单元改变其程序。这种情况发生的概率在读了几十万次后会急剧增加。

为了避免读取干扰，控制器记录了对一个区块的访问次数，以便在超过阈值时将其整体复制到一个新的位置，并删除原始区块。此后，该块可以再次被重新使用。

所有这些都是控制器必须弥补的，以便向我们假装它是一张外表 "完美的存储卡"，而它的内部看起来却并不完美。

最后但并非最不重要的是，由X射线写入的比特可能会被无意中抹去。在这里，只有对X射线安全的卡片设计才能确保数据保持完整。

制造商和选择一个好的卡

微控制器和闪存设备以及 microSD 卡成品可以来自不同的制造商--示例照片中的松下 SD 卡采用了三星闪存。控制器是日本制造的。

目前有四家制造商生产 NAND 闪存设备：

• 三星<-市场领导者
• 东芝
• IM闪存技术（美光科技和英特尔的合资企业）。
• 海力士与Numonyx合作

东芝和三星生产所有芯片中的大部分。

闪迪（推荐）

闪迪和东芝在闪存制造方面有一家合资企业。然而，在2009年，闪迪将晶圆厂的权利转让给了东芝，成为东芝的子公司。 无晶圆厂闪存制造商.它们在存储器开发方面仍在合作。闪迪、东芝和松下是 1999 年推出的 SD 标准的创始人。闪迪还创建了 microSD 标准。

我们长期以来一直依赖闪迪品牌，到目前为止，我们在这方面的经验非常好。

三星（推荐）

我们还推荐三星存储卡。作为 NAND 闪存领域的市场领导者，三星可以将 SD 卡的所有组件完美地相互匹配，并掌握所有必要的信息，从而提供可靠的产品。

金士顿（不推荐）

在一个关键项目中，我们对 128 GB 金士顿存储卡的可靠性有过一次糟糕的经历。金士顿没有自己的工厂，而是从其他闪存制造商那里购买多余的容量。因此，无法保证稳定的性能。

以下是 文章作者：Bunny Huang 在这种情况下也很有意思。

东芝

东芝作为全球DRAM市场的#2，也销售自己的存储卡产品。闪迪和东芝与松下一起，是1999年推出的SD标准的创始人。到目前为止，我们还没有使用东芝卡的经验。

创维/硅宝

我们也使用过创见和硅动力的卡，特别是低价位的卡。这些卡基本上都很好，但我们看到创见的退货/缺陷比闪迪的高。因此，对于关键项目，我宁愿推荐闪迪/三星。

选择一个好的存储卡

为了选择一个好的存储卡，首先要做的是选择制造商。我们建议 三星或闪迪，可能还有东芝，入围名单。

其次，内存级别也很重要。该级别表示逐块写入的最快速度。它不是分散随机存取写入的写入速度，后者在实际应用中更有意义。

更高等级的卡更加昂贵，但由于性能的显著提高而被推荐。我们通常运送10级卡。

在 eLinux.org上的这个概述您可以检查合适的存储卡是否与您的 Raspberry Pi 兼容。重要提示：他们会不断修改 Raspberry Pi 固件，以提高与存储卡的兼容性，避免数据损坏。

你应该从值得信赖的来源订购 - 例如。 我们得到了我们的闪迪microSD卡 直接从Raspberry Pi Trading，以及有信誉的大型德国分销商处购买。在亚马逊上，一定要直接从亚马逊订购，而不是从市场零售商那里。

某些信息(cid, csd, date, manfid, oemid, serial)的microSD卡可以用Linux读取，以检查你是否收到正确的制造商。以创见卡为例。

cd /sys/class/mmc_host/mmc?/mmc?:*
echo "man:$(cat manfid) oem:$(cat oemid) name:$(cat name) hwrev:$(cat hwrev) fwrev:$(cat fwrev)"

 man:0x000074 oem:0x4a60 name:USD hwrev:0x1 fwrev:0x0

echo "serial:$(cat serial) mdt:$(cat date)"

序号:0x401e39f2 mdt:03/2017

制造商ID (芒菲德)是由 SD-3C有限责任公司以及OEM/应用ID (oemid).的。 oemid 识别卡片的OEM和/或卡片的内容。

产品名称(名称)是5个字符的长度（ASCII）。 hwrev 是硬件版本，和 fwrev 固件修订版。它们共同构成了产品版本(hwrev.fwrev).

ǞǞǞ 串行 是 microSD 卡的序列号，是一个 32 位字段，读作无符号整数。

ǞǞǞ mdt (制造日期）表示卡片的制造时间--年和月。

您可以将数值与网站进行比较，以发现假冒 microSD 卡的欺诈行为。推荐阅读 兔子的博客文章（一） 和 本条(二).

稳定的 人/oem 一个品牌的组合表示一个控制良好和一致的供应链。例如，闪迪公司有以下组合 用于eLinux.org维基中的所有条目: man:0x000003 oem:0x5344.其他品牌（如创见）的供应商各不相同，因此质量不一定稳定。

避免操作过程中的数据损坏

microSD 卡是 Raspberry Pi 的 "硬盘"。在正常的 Linux 配置下，它像普通硬盘一样工作 - 读取和写入都会发生。Linux 会将信息记录到许多日志文件中，并更新文件访问时间。因此，数据经常会发生变化。这正是 microSD 卡的设计初衷。

提示#1：正确关闭Raspberry Pi并使用良好的电源

你也不会随便拔掉一台Windows电脑的插头。有了Linux电脑，尤其是支持microSD卡的Raspberry Pi's，这只是一个时间问题。 在断电时发生数据损坏之前.

Linux 具有读写缓存，可加快文件操作速度。当你拔掉 Pi 的电源时，可能会丢失写缓存中尚未存储到 microSD 中的信息。

如前所述，microSD控制器在运行时主动转移数据，以实现磨损均衡，并避免读取干扰。这发生在Linux系统不知情的情况下（"透明"）。而且根据制造商的情况，或多或少都是保守的。同样在这里--特别是在写操作期间- 数据损坏和损失可能发生。

所以你应该确保在关闭你的Pi后，Raspberry Pi的ACT-LED停止闪烁，然后才拔掉电源。

坏的电源也可能导致以下问题 断电 (电压过低)。如果有疑问，请使用Raspberry Pi Trading推荐/提供的电源。

尖端#2只读系统与覆盖物

只读系统并不能保护SD卡免受读取干扰，从而避免因必要的擦除周期而导致的老化。然而，这比主动写入时要慢得多。

只读文件系统也有其他优点，例如，在启动时减少文件系统的检查。

尤其是嵌入式系统，即在应用中具有特定用途的系统（如数字标牌），并不一定需要不断安装新软件和在现场保存精确的日志。您可以通过网络将日志发送到中央服务器（如有必要，可延迟发送），系统更新时，系统可进入维护模式以应用更新。

下面是Raspbian所基于的Debian项目的一些信息。 https://wiki.debian.org/ReadonlyRoot.

使用 RAM 磁盘覆盖（在 tmpfs 中），系统仍可写入日志文件或更改文件。你可以定期将 RAM 磁盘覆盖与 SD 卡上专门指定的分区同步。在使用 RAM 磁盘时应小心谨慎，以免内存溢出（由于日志文件的存在），当然也会减少可用于正常活动的 RAM 内存。

我们使用这种技术 使用我们的产品Anonymebox在这种情况下，必须假定用户只是将其从插座上拔下来。

你是否在寻找一个合作伙伴，为你的嵌入式Raspberry Pi项目实现一个可靠的只读解决方案？ 我们（作为pi3g e.K.）提供咨询和开发服务在硬件和软件方面。

提示#3 减少写操作

特别是在较早的内核中，Linux会根据POSIX标准更新每次文件访问的访问时间。 这意味着，每一次读操作都会自动导致一次写操作.有可能明确地设置 不时间 在 /etc/fstab 如果尚未设置（Raspbian 似乎会自动设置）。

更多相关信息 亲属时间 和 不时间

使用掩码禁用系统日志。

systemctl mask systemd-journald.service

创建了/etc/systemd/systemd-journald.service到/dev/null的符号链接。

sudo systemctl mask rsyslog.service

创建了从/etc/systemd/system/rsyslog.service到/dev/null的符号链接。

其他应用程序创建的日志，以及禁用这些服务的后果（例如，某些服务不再启动），当然也应该详细检查。

调换文件。

如果没有足够的RAM，Linux会将各个RAM区域移到SWAP文件中。(考虑使用有足够RAM的Raspberry Pi 4，例如 Pi 4 / 4 GB 或 Pi 4 / 8 GB 以满足您的使用要求）。使用以下命令可以检查 SWAP 文件的状态：

sudo systemctl status dphys-swapfile

● dphys-swapfile.service - LSB：自动生成并使用交换文件
已加载：已加载（/etc/init.d/dphys-swapfile）。
活动：自 Sat 2017-07-01 19:11:57 UTC起活动（退出）；8分钟前
进程。498 ExecStart=/etc/init.d/dphys-swapfile start (code=exited, status=0/SUCCESS)

您可以使用以下命令禁用 SWAP：

sudo systemctl disable dphys-swapfile

总结

持续使用的microSD卡使基于Raspberry Pi的系统的长期可靠性受到严峻考验。

通过使用合适的电源、带覆盖层的只读系统、持续减少写入操作以及选择知名品牌的优质 SD 卡，可以提高长期稳定性。

如果你的基于Raspberry Pi的项目/产品需要专业支持，请联系我们进行免费的初步咨询。.

笔记

(*) 备注: Raspberry Pi 3, 3B+和4可以从USB媒体，或通过网络（以太网）启动，无需microSD卡。

特别是通过网络启动时，我们建议安装带有特殊固件的 microSD 卡，因为启动代码中的超时错误会导致无法稳定启动（Raspberry Pi 3B）。

上述关于闪存结构的解释同样适用于 U 盘，因为它们也依赖于闪存。

(**) 注越来越多地使用的浮动门的替代品是电荷捕获闪存，其功能原理是相同的。电荷捕获闪存单元可以实现更高的存储密度。

如果您想了解有关 Raspberry Pi SD 卡的更多信息，请查阅 我们的许多文章都涉及这一主题.