基于Nand+Flash存儲管理在DSP系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)

Nand Flash作為一種安全、快速的存儲體，因其具有體積小、容量大、成本低、掉電數(shù) 據(jù)不丟失等一系列優(yōu)點(diǎn)，已逐步取代其它半導(dǎo)體存儲元件，成為嵌入式系統(tǒng)中數(shù)據(jù)存儲的主要載體。盡管Nand Flash的每個單元塊相互獨(dú)立，且每塊一般可擦除次數(shù)高達(dá)10～100萬次，但是隨著擦寫次數(shù)增加，會有一些單元塊逐漸變得不穩(wěn)定或失效從而形成永久性壞塊。因此， 要避免頻繁地對同一塊進(jìn)行操作，盡量達(dá)到擦寫次數(shù)均衡；同時，由于擦除操作耗時較多，會對系統(tǒng)的實(shí)時性造成影響。為此，本文介紹了一種基于磨損均衡思想的Nand Flash存儲管理方式，并深入討論了該方式在Ti公司的DSP TMS320F28x中的程序?qū)崿F(xiàn)。

1 器件介紹

本文中采用的Nand Flash芯片K9F6408U0C是一塊擁有8M(8,388,608)×8bit存儲空間及 256K(262，144)×8bit輔用存儲空間的存儲芯片，電源電壓為1.8V－3.3V。芯片內(nèi)部按塊和頁的方式來組織的，如圖1所示，共分成1024個塊,每塊包含16個頁,每頁內(nèi)有528個字節(jié)。 F28x系列DSP是美國TI公司最新推出的C2000平臺上的定點(diǎn)DSP芯片。

圖1 K9F6408UOC內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

F28x系列芯片具有 低成本、低功耗和高效能等特點(diǎn)，特別適用于有大量數(shù)據(jù)處理的測控場合。

2 Flash的特點(diǎn)及存儲管理的作用

由K9F6408U0C的基本結(jié)構(gòu)可以知道，它的基本單位有塊、頁、字節(jié)等。 Nand Flash 芯片具有如下特點(diǎn)：

Flash寫：通過寫命令將每個字節(jié)存儲單元中的1變?yōu)?；寫操作不能把0變?yōu)?。

Flash擦除：擦除命令是Flash中存儲單元0變?yōu)?的唯一途徑，一旦對某一塊中的某一位寫0，要再改變成1，則必須執(zhí)行擦除命令。

通常，對于容量較小的Flash塊的操作過程是：先把整個塊的數(shù)據(jù)讀到RAM中，在RAM中修改數(shù)據(jù)內(nèi)容，再擦除整個塊，最后寫入修改后的數(shù)據(jù)。顯然，這樣頻繁復(fù)雜的讀-擦除- 寫操作，對于Flash的使用壽命以及系統(tǒng)性能是很不利的，而且微處理器中通常RAM大小有限。 因此在硬件條件苛刻的嵌入式系統(tǒng)中就迫切需要一種合理的存儲管理方式以便有效地均衡 Flash各個存儲塊的擦寫次數(shù)，提高Flash的使用壽命，從而提高數(shù)據(jù)存儲的安全性。

3 存儲管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1建立壞塊管理表

Nand Flash由于生產(chǎn)工藝的問題，不可避免的會存在一些壞塊，這些壞塊在芯片出廠前 都已被標(biāo)識好。根據(jù)Nand Flash數(shù)據(jù)手冊中的介紹，在每一塊的第一頁與第二頁的Spare area 的第六個字節(jié)（也就是該頁的第517字節(jié)）即是出廠時的壞塊標(biāo)識位，如果某塊的該兩頁的第517字節(jié)內(nèi)容不同時為0xFF，則代表該塊為廠家標(biāo)識壞塊。這種壞塊的檢測必須在對芯 片進(jìn)行擦除前進(jìn)行，因?yàn)閺S家壞塊有可能也能夠被進(jìn)行擦除操作，如使用這種塊將對數(shù)據(jù)安全留下一定的隱患。

Nand Flash在出廠前會保證每塊芯片的第一塊與第二塊是完好的，所以在本文的設(shè)計(jì)中，采用的方式是將壞塊管理表存放在第一塊的第一頁的前128個字節(jié)中，每個字節(jié)的一位代表芯片的一塊，如該位為1剛表明該塊是好的，為0則表示對應(yīng)塊為壞塊。壞塊管理表的建立是必需的，而且最好是在芯片進(jìn)行其它擦寫操作前進(jìn)行。

3.2 Flash存儲空間管理

在本文設(shè)計(jì)的Flash空間管理中，F(xiàn)lash的存儲塊被分為空閑塊（Free，即空白沒寫數(shù)據(jù)的好塊），有效塊（Valid，即存有有效數(shù)據(jù)的塊，不能被擦除），無效塊（Invalid，即數(shù) 據(jù)已無效或是寫入錯誤塊，可被擦除），保留塊（Reserve，用于替換新產(chǎn)生的壞塊），其它的則為壞塊，所有存儲塊的管理均采用單向鏈表方式進(jìn)行管理。

在大部分的Flash存儲空間管理系統(tǒng)中可能并不存在保留塊，在本系統(tǒng)中增加保留塊的作用主要是，當(dāng)部分存儲塊因?yàn)榉磸?fù)擦寫成為新的壞塊時，可以用保留塊取而代之成為新的空閑塊，從而使得留給用戶的可用存儲塊總數(shù)在一定時期內(nèi)是一定的，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是可以增強(qiáng)數(shù)據(jù)的安全性，延長整個Flash的使用周期，缺點(diǎn)是用戶可用的存儲空間相對減少，不過在Flash芯片技術(shù)迅速發(fā)展的今天，大容量的Flash芯片價格已經(jīng)十分低廉，數(shù)據(jù)安全才是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)最值得重視的。

在本文的設(shè)計(jì)中，統(tǒng)一規(guī)定Flash每一塊的第一頁的Spare Area為數(shù)據(jù)塊狀態(tài)信息標(biāo)記區(qū)，具體規(guī)定如表2所示：

根據(jù)上表的設(shè)計(jì)，塊擦除次數(shù)最大為224 ? 1 = 16777215 ，遠(yuǎn)大于Flash的最大擦除次數(shù)10到100萬次；塊狀態(tài)標(biāo)記字節(jié)，0xFF代表其為空閑塊，0xFD代表其為保留塊，0xFC代表其為有效塊，0xF0代表其為無效塊，0x00則表明當(dāng)前塊為壞塊，在壞塊管理表中其對應(yīng)位為0。

3．3磨損均衡與無效塊回收

如圖2所示，當(dāng)系統(tǒng)上電后，如不存在壞塊管理表則應(yīng)首先應(yīng)建立相應(yīng)的壞塊管理表，參照壞塊表根據(jù)每一塊的第517字節(jié)建立各個鏈表Free_List，Valid_List，Invalid_List， Reserved_List，初始化并按擦除次數(shù)非遞減序排列各鏈表。當(dāng)無效塊因擦除成為新的空閑塊時，根據(jù)塊擦除次數(shù)插入到空閑鏈表中相應(yīng)位置，當(dāng)需要寫入數(shù)據(jù)到新的空閑塊時則取用空閑鏈表的鏈?zhǔn)姿缚臻e塊，寫入數(shù)據(jù)有效后則標(biāo)識該塊為有效塊，否則標(biāo)識為無效塊，通過 這樣的管理方式保證每次都是使用空閑鏈表中擦除次數(shù)最小的塊，從而使磨損達(dá)到均衡。

圖2 Flash存儲管理流程示意圖

對于靜態(tài)數(shù)據(jù)塊（指的是Flash中存儲的不經(jīng)常被修改的數(shù)據(jù)）[3]，在本文中采用的處 理方法是當(dāng)空閑塊中的最大擦除次數(shù)與有效塊中的最小擦除次數(shù)之差大于某一設(shè)定閥值（該閥值不能過小，否則數(shù)據(jù)搬遷將過于頻繁），則遷移該有效塊中數(shù)據(jù)至空閑鏈表中擦除次數(shù) 最大的塊中，從而避免因某些數(shù)據(jù)塊被靜態(tài)數(shù)據(jù)長時間占用而使得其它數(shù)據(jù)塊的磨損加劇，進(jìn)而可使得整個Flash的磨損趨于平衡。

對于無效塊的擦除回收本文的設(shè)計(jì)是在有足夠空閑塊的情況下一般是在系統(tǒng)空閑或上 電時進(jìn)行，這樣能節(jié)約更多寶貴的系統(tǒng)資源以進(jìn)行更重要的工作，當(dāng)在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，如果空閑塊塊數(shù)與無效塊塊數(shù)的比值超出一個閥值（本系統(tǒng)取50），則啟動程序回收所有無效 塊。這個閥值應(yīng)取得適中，如太大則使得回收過于頻繁，太少的話一方面使空閑空間過少，另一方面一旦啟動回收程序，因要回收塊數(shù)過多，從而使采集數(shù)據(jù)的實(shí)時輸入受到影響，本 系統(tǒng)中取空閑塊與無效塊的比值作為閥值，好處是只要空閑塊塊數(shù)足夠，無效塊回收基本在系統(tǒng)初始化是進(jìn)行，即使在采集過程中回收占用的時間也是十分微小，這樣的設(shè)計(jì)對實(shí)時性要求極高的嵌入式系統(tǒng)是很有好處的。

3.4 Flash存儲管理的程序?qū)崿F(xiàn)

對于Nand Flash在DSP嵌入式系統(tǒng)中的使用，其接口方式與讀寫方法與在其他單片機(jī)中的方法都是一樣的，參考[1]中提供的流程圖就可以完成，其難點(diǎn)在于如何管理，在其管理中，對鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的操作是最重要的，下面將給出本文系統(tǒng)中用DSP TMS320F28x如何實(shí)現(xiàn)Nand Flash存儲管理的鏈表操作的關(guān)鍵程序代碼，結(jié)合具體的要求只需要進(jìn)行簡單的修改即可滿足在新系統(tǒng)中的應(yīng)用。

在DSP系統(tǒng)工程中的CMD文件中，對于段的定義一定要為.systemmem分配一定的可用RAM空間[ 4 ]，這個大小跟系統(tǒng)后面malloc函數(shù)要分配的動態(tài)內(nèi)存空間有關(guān)，以便在產(chǎn)生一個新的結(jié)點(diǎn)時申請一個結(jié)點(diǎn)類型大小的空間，在結(jié)點(diǎn)銷毀時可對空間進(jìn)行釋放，定義系統(tǒng)中鏈表結(jié)點(diǎn)的類型為：

通過這樣的定義就可以得到四個帶頭結(jié)點(diǎn)的鏈表，頭結(jié)點(diǎn)的數(shù)庫域中是沒有信息的，每 一個鏈表的頭結(jié)點(diǎn)都指向該鏈表的首元素，如不存在則指向NULL，程序中必須初始化指針， 否則會造成致命的系統(tǒng)錯誤。下面給出鏈表的初始化程序，結(jié)點(diǎn)生成及銷毀程序，其他的函數(shù)就不一一列舉，只給出其相應(yīng)函數(shù)名及功能介紹。

4 結(jié)論

本文創(chuàng)新點(diǎn)在于:從Nand Flash的特性出發(fā)，深入討論了基于磨損均衡算法的Flash存儲 管理在DSP系統(tǒng)中采用鏈表結(jié)構(gòu)的程序?qū)崿F(xiàn)，改進(jìn)了無效塊的回收方式及動靜態(tài)數(shù)據(jù)塊的磨損平衡。經(jīng)實(shí)踐證明,有效延長了Flash的使用壽命，進(jìn)一步提高了其存儲效率和數(shù)據(jù)安全性， 從而更有利于在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用。