嵌入式平臺上NAND FLASH的驅(qū)動實現(xiàn)

　　摘要：本文簡明闡述了NAND 驅(qū)動在嵌入式ARM平臺的實現(xiàn)。分析了NAND 的數(shù)據(jù)存儲結構,并從物理層,邏輯層和文件系統(tǒng)驅(qū)動接口層三個方面具體分析了NAND 驅(qū)動程序的實現(xiàn)。本文重點討論了在驅(qū)動邏輯層中為了實現(xiàn)磨損均衡如何創(chuàng)建壞塊處理表,并對基于uC/FS文件系統(tǒng)的驅(qū)動接口進行了分析。該嵌入式NAND FLASH驅(qū)動具有存取數(shù)據(jù)快,數(shù)據(jù)準確度高等特點。

　　1 引言

　　隨著U盤、數(shù)碼相機、mp3音樂播放器等移動設備的廣泛應用，F(xiàn)LASH存儲器已經(jīng)逐步取代其它半導體存儲元件，成為嵌入式系統(tǒng)中主要數(shù)據(jù)和程序的載體。NAND FLASH是一種可在線多次擦除的非易失性存儲器，其結構提供了極高的單元密度，可以達到數(shù)據(jù)的高密度存儲，并且寫入和擦除的速度也很快，所以 NAND FLASH是高密度數(shù)據(jù)存儲的理想[2] 。本文主要從物理層，邏輯層和驅(qū)動文件系統(tǒng)接口層三個方面具體分析NAND FLASH驅(qū)動程序的實現(xiàn)。

　　2 物理層驅(qū)動實現(xiàn)

　　NAND芯片的存儲空間是按照塊和頁的概念來組織的。現(xiàn)在市面上的NAND主要按大頁和小頁兩種存儲類型來進行數(shù)據(jù)管理。本文采用的NAND型號是K9F1G08X0A，該NAND為大頁結構，即芯片每塊()有64頁(Page)，每頁有2K 的數(shù)據(jù)存儲區(qū)和64的冗余數(shù)據(jù)區(qū)（用來存放ECC校驗碼）。2K 的數(shù)據(jù)存儲區(qū)作為數(shù)據(jù)緩沖單元，用來實現(xiàn)I/0緩沖和存儲器之間的數(shù)據(jù)傳輸。芯片的存儲陣列組織如圖１所示。

圖1 128M X NAND 的存儲空間結構

　　NAND FLASH的物理層驅(qū)動主要涉及到：NAND的初始化（ID以及相關屬性信息的讀取）、擦除（以塊作為單位），數(shù)據(jù)讀寫（以頁作為基本單位）。在這一系列的過程中，會涉及到NAND命令的發(fā)送以及NAND地址的發(fā)送。其中地址的發(fā)送會因NAND型號的不同而有所區(qū)別。一般來說，小頁的NAND其地址周期通常為4個:1個列地址(Column Address)和3個行地址(Row Address)，而對大頁的NAND來說，列地址至少是2個周期，行地址會因芯片的容量大小而有所區(qū)別。本文采用的三星NAND芯片是２個列地址和２個行地址。對于NAND FLASH 來講，地址和命令只能在I/O[7:0]上并行傳遞。NAND FLASH 以頁為單位讀寫數(shù)據(jù)，而以塊為單位擦除數(shù)據(jù)。NAND的數(shù)據(jù)傳輸方式有基本的I/O傳輸方式，即在I/O[7:0]數(shù)據(jù)線上進行的數(shù)據(jù)傳輸。這種操作的缺點是系統(tǒng)CPU要頻繁參與控制數(shù)據(jù)的傳輸，會影響到數(shù)據(jù)傳輸速度。本文采用DMA傳輸方式，數(shù)據(jù)寬度是8/16/32bit，通過中斷的形式通知CPU數(shù)據(jù)的傳輸情況，DMA傳輸主要涉及DMA 控制器的配置以及通道的選擇。

　　3 邏輯層驅(qū)動實現(xiàn)以及壞塊管理機制

　　3.1 邏輯基本讀寫操作

　　驅(qū)動邏輯層的主要任務是整合物理層的驅(qū)動，并為文件系統(tǒng)驅(qū)動層提供接口。在該層中主要涉及的操作包括NAND 的邏輯讀、寫以及擦除。邏輯層對NAND 的操作都是以塊()作為單位來進行操作的。因此須在邏輯層中構建一個塊緩存( Buffer)來臨時存放讀出/寫入NAND 的數(shù)據(jù)。這樣，NAND 的讀取機制分為兩種：頁讀取(Page )和塊讀取(Block)。在頁讀取時，通過壞塊表進行索引指定塊(Block)和頁(Page)來進行數(shù)據(jù)讀操作，而塊讀取時則是通過整合頁讀取時的緩存數(shù)據(jù)，把NAND 的數(shù)據(jù)以塊的形式進行緩存(BlockBuffer)。NAND 的寫入機制不像其它的FLASH 器件，NAND 要求在寫入數(shù)據(jù)時，首先必須進行數(shù)據(jù)的擦除。因此我們在寫數(shù)據(jù)的時候，先把將要被寫入的數(shù)據(jù)塊的內(nèi)容讀出到塊緩存，然后再把要寫入NAND 的數(shù)據(jù)以頁為單位的形式寫入塊緩存(Block Buffer)中的對應地址。接著把以前存放數(shù)據(jù)的塊進行擦除操作，最后把更新的數(shù)據(jù)寫到NAND 去。經(jīng)過這一系列的操作，實現(xiàn)了NAND 數(shù)據(jù)的邏輯寫入。圖2 說明了一次寫操作的具體流程。

圖 2 NAND 塊寫數(shù)據(jù)的示意圖

　　3.2 壞塊管理機制的原理及實現(xiàn)

　　NAND 由于采用了高密集的存儲單元，在使用過程中難免會損壞一些存儲單元，這就是我們所說的壞塊[3]。數(shù)據(jù)操作時應該避免對這些壞塊進行操作，否則會引起數(shù)據(jù)的錯誤。

　　一般而言，NAND 的第0 塊常被用來作為程序的引導區(qū)，因此NAND 芯片廠商會保證第0塊不會成為壞區(qū)。而作為0 塊以后的數(shù)據(jù)存儲塊，當壞塊產(chǎn)生時，系統(tǒng)級的設計必須能夠用地址映射把這些壞塊屏蔽掉。芯片在出廠時，除保存壞塊信息的區(qū)域外，部分一律被擦除（值為0xFF），對壞塊的讀操作是允許的，但不推薦進行寫和擦除操作，以免由于結構方面的原因使鄰近的塊也失效。系統(tǒng)設計時必須根據(jù)初始的壞塊信息識別出壞塊，并建立壞塊列表。進行寫或擦除操作時將欲操作塊的地址與壞塊地址表的地址相比較，若是壞塊則應跳過。芯片在使用過程中，可能有新壞塊的產(chǎn)生，為了系統(tǒng)的可靠性，必須對此情況加以考慮。

　　在數(shù)據(jù)寫入或塊擦除操作后，如果讀狀態(tài)寄存器出現(xiàn)錯誤，則表示塊內(nèi)有壞頁存在，也即表明此塊已壞，因為塊內(nèi)壞頁的存在并不影響頁的讀寫，這時可采用塊操作來把頁內(nèi)有用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到空閑塊內(nèi)，并把壞塊信息存入壞塊表中。因此，當我們在格式化NAND的時候，要給出一定的區(qū)域用來存放壞塊索引表和壞塊表?？紤]到一個塊(Block)的大小為128KB，而現(xiàn)在市面上的一般的NAND的容量大小為128MB-2GB不等。故分配10 個塊(Block)來進行存儲。由于第0 塊為用戶不可見塊，實際要求為1-11 塊作為存儲空間。圖 3 表明了如何建立壞塊索引表和壞塊表的流程。

圖 3 壞塊索引和壞塊表建立流程

　　其中，在壞塊索引(BBTINDEX)中，整型變量bitIsBadBlock 中的每一個bit，標記一個塊的狀態(tài)（1 表示壞塊,0 表示好塊），在ARM 體系中，可以標記32 個塊。該區(qū)域被稱為一個索引區(qū)域。整型變量mPosInBBT 表示如果有壞塊，則表示索引區(qū)域在壞塊表中的偏移。

　　這樣通過定義一個索引tableTopPos 變量，來指示下一個壞塊在數(shù)組中的位置。同樣在壞塊表(BBTENTRY)中，整型變量mBadBlock 標志塊是壞塊，而mReplaceBlock 變量則表示該壞塊在備份區(qū)中對應的可以的好塊。這樣通過定義一個索引bakupTopPos 變量，來指示下一個壞塊在備用區(qū)的位置。通過結合壞塊索引和壞塊表,可以對數(shù)據(jù)進行準確的操作，而每次對NAND 操作完成后，及時地更新壞塊索引和壞塊表。

　　4 文件系統(tǒng)層的接口實現(xiàn)

　　現(xiàn)在一般對NAND 支持的文件系統(tǒng)用的最多的是YAFFS 文件系統(tǒng)。本文由于基于的操作系統(tǒng)平臺是uC/OS，故采用了uC/FS 文件系統(tǒng)作為NAND 的文件驅(qū)動接口，uC/FS 文件系統(tǒng)進行的操作都是基于FAT 文件格式的。對用戶來說，所用對NAND 的操作，都是通過文件接口層來完成的。文件接口層對數(shù)據(jù)的操作都是以扇區(qū)(Sector)來進行的。因此，文件接口層的主要任務是把從邏輯層的邏輯操作轉(zhuǎn)化為以扇區(qū)(Sector)為單位的操作，文件系統(tǒng)的接口函數(shù)主要通過一個結構體 (FS___)來進行描述[4]，該結構體包含了驅(qū)動設備的名稱以及4 個基本的驅(qū)動設備掛接函數(shù)的函數(shù)指針。

　　在這幾個函數(shù)中,dev_status()函數(shù)主要實現(xiàn)FAT 表狀態(tài)信息的讀取，并表明該NAND 設備可以使用；dev_()函數(shù)實現(xiàn)對NAND 進行文件系統(tǒng)塊數(shù)據(jù)的讀??；dev_write()函數(shù)實現(xiàn)對NAND 進行文件系統(tǒng)塊數(shù)據(jù)的寫入；dev_()函數(shù)則主要實現(xiàn)文件操作的相關指令,包括文件格式化,數(shù)據(jù)cache 回寫等操作。通過這幾個文件接口函數(shù)，用戶可以實現(xiàn)對NAND 進行的數(shù)據(jù)基本操作。

　其中，mCache 數(shù)組大小為數(shù)據(jù)讀取時的存儲大小，由NAND 的文件系統(tǒng)遵循 標準決定，大小為512Byte；mTimes 表示被Cache 的塊(Sector)的命中次數(shù)，反映了數(shù)據(jù)塊的存取幾率；mSectorId 表示被Cache 塊(Sector)的序號，通過該序號來對Cache 的數(shù)據(jù)塊進行索引。

　　5 總結

　　對大容量的 NAND FLASH 進行數(shù)據(jù)操作，壞塊處理機制是很重要的，通過建立壞塊處理表，避免了對無效塊進行的操作，提高了數(shù)據(jù)的準確性。另外，ECC 作為NAND 糾錯機制，在NAND 驅(qū)動中也廣泛運用，本文的NAND 驅(qū)動中也加入了ECC 機制，由于篇幅有限，不對其進行深入探討。