NAND Flash存儲器管理算法的設(shè)計及實現(xiàn)

O 引言

Flash是一種非易失存儲器，它在掉電條件下仍然能夠長期保持?jǐn)?shù)據(jù)。由于它具有容量大、速度快、功耗低、抗震性能好等優(yōu)點，近幾年在U盤、SD卡、SSD硬盤等各種移動存儲設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。本文給出了一款性能優(yōu)異、成本低廉可用于SD卡的NAND flash控制芯片的設(shè)計方法。(本方法也同樣適用于其他存儲設(shè)備。文中集中探討了一種高效管理物理塊的算法，包括邏輯物理地址映射以及spare區(qū)的定義，另外，還有雙緩沖器優(yōu)化讀寫的方法等。

1 Flash簡介

1.1 SLC flash與MLC flash的比較

從架構(gòu)上，flash可以分為SLC(Single-Level-Cell) flash和MLC(MulTI-Level-Cell)flash兩種。和SLC Flash相比較，MLC flash的優(yōu)點是面積小、成本低：缺點是出錯率高，壽命短(SLC的每個block能夠擦寫100，000次，而MLC能夠擦寫10，000次)。由于 MLC flash具有成本低的優(yōu)勢，而其出錯率高的缺陷又可以通過ECC(Error Correction Code)糾錯來有效解決，壽命短的問題也可以通過磨損均衡來彌補(bǔ)，因此，MLC flash的應(yīng)用更加廣泛，但在一些高端應(yīng)用仍然會使SLCflash。本設(shè)計就是針對MLC flash，但是，本方法對SLC flash也能夠處理。

1.2 NAND flash結(jié)構(gòu)

不同廠商不同型號的flash的結(jié)構(gòu)都大同小異，圖l所示是三星K9G8G08UOA型號的flash結(jié)構(gòu)圖，圖l中的1個flash芯片包含 4096個物理塊(block)，每個物理塊含有128個頁(page)，每個頁包含2112(2048+64)字節(jié)其中多出的64字節(jié)用于存放糾錯碼及其他信息用。

1.3 NAND flash的特點

Flash可支持讀(Read)操作、寫(Program)操作和擦除(Erase)操作。其中讀操作和寫操作的基本單位是頁，擦除操作的基本單位是塊。對flash的寫入操作只能在尚未寫入的空閑頁上進(jìn)行，并且只能按照從低地址頁到高地址頁的順序進(jìn)行操作，而不能寫了高地址頁之后，再寫低地址頁。如果想要修改某個已經(jīng)寫過的頁，只能先對整個物理塊進(jìn)行擦除，然后才能正確寫入。

2 Flash管理算法

2.1 邏輯物理地址映射

由于flash具有上述特點，因此，如果不采用邏輯物理地址映射，將會存在兩個問題：其一是Flash中難免會有壞塊，因而某些地址空間將是不可用的;其二，F(xiàn)lash讀寫的基本單位是頁，擦除的基本單位是塊，故在同一個頁的兩次寫之間，就必須要進(jìn)行一次擦除操作，而擦除會擦除掉整個塊，這樣，為了避免其他頁的數(shù)據(jù)丟失，就得先把這些頁中的數(shù)據(jù)暫存到其他地方備份起來，之后再和新數(shù)據(jù)一起重新寫回到該塊中，因此，整個過程會比較復(fù)雜，而且會造成速度降低。這樣，一般都需要對flash加入邏輯物理地址映射管理算法，該算法的邏輯地址和物理地址的對應(yīng)關(guān)系是變動的。

2.2 兩級地址映射

為了減少更新數(shù)據(jù)時原有數(shù)據(jù)的搬移，提高寫操作的速度，本文提出了采用兩級地址映射的機(jī)制，也就是在塊級別邏輯物理地址映射的基礎(chǔ)上引入頁級別上的邏輯物理地址映射。一個邏輯塊對應(yīng)一個或兩個物理塊(稱為母塊和子塊)，邏輯塊中的邏輯頁對應(yīng)一或兩個物理塊中的某個面。圖2所示是其地址解析示意圖。

在讀寫時，首先應(yīng)將邏輯地址分為邏輯塊地址和邏輯頁地址，再根據(jù)塊映射表將邏輯塊地址映射到物理塊地址，然后讀取母塊和子塊中的sDare區(qū)，并據(jù)此建立頁映射表，再根據(jù)邏輯頁地址映射到物理頁地址，從而完成從邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換。其數(shù)據(jù)更新示意圖如圖3所示。

當(dāng)需要更新數(shù)據(jù)時，寫入的策略可分為兩種情況。首先，當(dāng)子塊仍然有空閑頁時，可直接將數(shù)據(jù)寫到子塊中的下一個空閑頁中，并在spare區(qū)中記錄該塊對應(yīng)的子塊、該物理塊對應(yīng)的邏輯塊以及該物理頁對應(yīng)的邏輯頁，這樣，當(dāng)重新上電時，就可以建立邏輯物理映射關(guān)系。其次，當(dāng)母塊和子塊都寫滿時，需要從空塊池中取出一個新的子塊。如果允許一個邏輯塊對應(yīng)三個或更多的物理塊，一方面管理起來比較復(fù)雜，另外也會造成空物理塊緊缺，因此，可以考慮將母塊或者子塊釋放掉，這樣，母塊或者子塊中原有的有效數(shù)據(jù)就需要搬移到新子塊中并將該母塊或子塊擦除再釋放到空塊池。出于速度的考慮，選擇母塊和子塊有效頁數(shù)較少的塊進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移并釋放。

實踐證明，這樣操作對寫文件速度有明顯提高，特別是寫小文件時，其速度提升可達(dá)9.2倍。

2.3 SPARE區(qū)和ECC校驗

Flash中每個頁里的每個字節(jié)都是沒有任何差別的，物理上并沒有data區(qū)和spare區(qū)的區(qū)別，具體怎樣劃分data區(qū)和spare區(qū)，可由用戶自己決定。本設(shè)計采用的劃分辦法如圖4所示，這樣，每個扇區(qū)和一個spare區(qū)相連，故可方便連續(xù)讀出，并進(jìn)行校驗糾錯。

圖4中同時給出了Spare的區(qū)定義，其中兩字節(jié)用于標(biāo)識本物理塊所對應(yīng)的母塊;兩字節(jié)用于標(biāo)識本物理塊對應(yīng)的邏輯塊;一字節(jié)用于標(biāo)識本物理頁對應(yīng)的邏輯頁，一字節(jié)用于標(biāo)識連續(xù)邏輯頁數(shù)(表示上面連續(xù)邏輯頁的個數(shù)，此域可以輔助加快建立頁映射表的時間)，余下的10字節(jié)用于存放ECC，這樣可以達(dá)到4字節(jié)錯誤的糾錯能力。一般情況下，前面的4個字節(jié)是建立塊地址映射表的關(guān)鍵，其次，后面兩個字節(jié)則是建立頁地址映射表的關(guān)鍵。

2.4 頁映射表建立時間的優(yōu)化

因為建立頁映射表需要讀取母塊和子塊中各物理頁spare區(qū)以判定該物理頁對應(yīng)的邏輯頁，而每個物理頁的讀取都要花費大約50μs的時間。因此，如果對每個物理頁都讀取，建立頁映射表就會比較費時。為了加快建立頁映射表的速度，一般只希望能讀取一個物理頁，而免于讀取其他若干頁，以便加快建表速度。因為很多時候都是連續(xù)寫，而連續(xù)的幾個物理頁在邏輯上也是連續(xù)的，因此可以考慮在spare區(qū)加入連續(xù)邏輯頁號，這樣，重新建表時，就可根據(jù)連續(xù)頁號知道連續(xù)幾個物理頁對應(yīng)的邏輯頁，從而加快建表的速度。對于最佳情形，有時只需要讀一個頁就可以建立整個邏輯塊的頁映射表。圖5所示是一種加快建表的示意圖。[!--empirenews.page--]

2.5 分區(qū)

不同的flash，塊數(shù)是不同的，其塊映射表需要的RAM空間也不一樣。對于當(dāng)前主流flash，有的具有8192個塊，如果對整個flash 建表，需要的RAM空間將多達(dá)32KB，這樣芯片成本就會比較高。一個可行的解決辦法是對flash分區(qū)，比如1024個塊為一個分區(qū)，每次只對一個分區(qū)進(jìn)行建表，這樣，RAM空間就可以降低到4KB。這樣，隨著將來flash容量的增加，塊數(shù)即使再多，也能夠用同樣的方法處理，而不用增大RAM。

3 結(jié)束語

本文介紹了一種針對MLC flash的優(yōu)異管理算法及軟件實現(xiàn)方法，并且已在SD卡上大規(guī)模商用。該算法只需簡單配置就能支持市場上的各種flash，而且也兼容各種SD設(shè)備。同時RAM空間需求小，成本低，壽命長，兼容性好，擴(kuò)展性強(qiáng)，flash空間利用率高，具有很高的商用價值。