延長Flash存儲囂使用壽命的研究

引 言
    隨著嵌入式系統(tǒng)在數(shù)碼相機(jī)、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、移動電話、MP3音樂播放器等移動設(shè)備中越來越廣泛的應(yīng)用，F(xiàn)lash存儲器已經(jīng)逐步取代其他半導(dǎo)體存儲元件，成為嵌入式系統(tǒng)中主要數(shù)據(jù)和程序載體。Flash存儲器又稱閃存，是一種可在線多次擦除的非易失性存儲器NVM(Non-Volatile Memo-ry)，即掉電后數(shù)據(jù)不會丟失。Flash存儲器還具有體積小、功耗低、抗振性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是嵌入式系統(tǒng)的首選存儲設(shè)備。
    世面上常用的Flash存儲設(shè)備有兩種：NOR Flash和NAND Flash。根據(jù)存儲容量，NOR一般為1～16 MB，而NAND為8～512 MB，現(xiàn)在的大容量NAND已經(jīng)可以達(dá)到4 GB；讀取速度NOR較NAND快，寫入速度NOR比NAND慢一些；擦除速度NOR需要2～5 s，而NAND僅僅需要2～5 ms；NAND的價格比NOR低很多。由于種種原因，較常用的是NAND Flash。但是由于NANDFlash的工藝不能保證NAND的存儲陣列(memory ar-ray)在其生命周期中保持性能的可靠，因此，在NAND的生產(chǎn)中及使用過程中會產(chǎn)生壞塊。其表現(xiàn)是：當(dāng)編程／擦除這個塊時，不能將某些位拉高，這會造成頁編程(page program)和塊擦除(block erase)操作時的錯誤；相應(yīng)地，反映到狀態(tài)寄存器(status register)的相應(yīng)位。
    總體上，壞塊可以分為兩大類：第一類為固有壞塊，這是生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的壞塊，一般芯片原廠都會在出廠時將壞塊第一個頁的擴(kuò)展區(qū)域(Spare Area)的第6個字節(jié)標(biāo)記為不等于0xff的值；第二類為使用壞塊，這是在NANDFlash使用過程中，如果塊擦除或者頁編程錯誤，就可以簡單地將這個塊作為壞塊來處理，這個時候需要把壞塊標(biāo)記起來。為了和固有壞塊信息保持一致，將新發(fā)現(xiàn)壞塊的第一個頁的擴(kuò)展區(qū)域的第6個字節(jié)標(biāo)記為非0xff的值。由于Flash寫入數(shù)據(jù)的時候是先擦除塊，這樣這個塊里面的數(shù)據(jù)將全部變成0xff，寫入1時，該位不變；寫入0時，該位由1變?yōu)?。如果將擴(kuò)展區(qū)域的第6個字節(jié)標(biāo)記為非0xff之后，將不可能再恢復(fù)為0xff，除非格式化有可能恢復(fù)。
    我們已經(jīng)了解到，壞了的塊是無法擦除和寫人數(shù)據(jù)的，而在嵌入式系統(tǒng)中，啟動的第一步就是將Flash里面的前4KB數(shù)據(jù)自動復(fù)制到SRAM里面去運(yùn)行。如果僅僅Flash的第一塊壞了，而導(dǎo)致引導(dǎo)程序無法下載進(jìn)去，那么這個塊不是不能讀取數(shù)據(jù)，而是讀不出我們想再要放入的數(shù)據(jù)，這樣這個Flash設(shè)備就報廢了。本文就這個問題作了深入的討論，用一種基于Flash的地址重映射的方法解決這個問題。本文采用三星(Samscrag)公司的S3C2440 ARM處理器和NAND Flash存儲設(shè)備K9F1208UOM討論地址重映射的思想。

1 S3C2440使用NAND Flash引導(dǎo)系統(tǒng)的方法
    自動啟動模式順序：
    ①復(fù)位完成；
    ②當(dāng)設(shè)置為自動啟動模式，NAND Flash的開始4 KB被拷貝到Steppingstone的4 KB內(nèi)部緩沖器；
    ③Steppingstone映射到nGCS0；
    ④CPU開始在Steppingstone執(zhí)行啟動代碼程序。
    由系統(tǒng)引導(dǎo)順序看出，如果Flash的第一塊壞了，那么讀出的數(shù)據(jù)不一定是引導(dǎo)程序，這樣，系統(tǒng)將無法啟動。而在這種情況下，就只能換一塊完好的Flash了，這樣就造成了很大的浪費(fèi)。

2 Flash存儲器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
    K9F1208UOM型Flash芯片內(nèi)部存儲器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    典型的NAND Flash由4 096塊組成，每一個塊包含32頁，而每頁是512+16=528字節(jié)。對于一個頁，0～511字節(jié)為主存儲區(qū)，即通常所說的用戶可設(shè)定地址區(qū)，用來存儲數(shù)據(jù)；512～527共16字節(jié)為擴(kuò)展存儲區(qū)，用來存儲頁的信息。擴(kuò)展區(qū)的16字節(jié)用于描述主存儲區(qū)的512字節(jié)。而對于壞塊，也僅僅是將這16字節(jié)的第6字節(jié)設(shè)置為不等于0xff，來標(biāo)示壞塊。
    在NANDFlash使用過程中可能會出現(xiàn)這樣的問題：產(chǎn)生壞塊或壞頁、由此引發(fā)的數(shù)據(jù)丟失、對一些扇區(qū)或塊的過分磨損導(dǎo)致NANDFlash壽命縮短等。為了能更好地使用NAND Flash，在其損壞時使損失最小化，需要一種方法，使用相同的地址可以屏蔽掉壞了的塊，而指針指向好塊。即使第一塊壞了，還可以使用O地址去操作一個好塊。

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3 Flash存儲器的讀取方法
    K9F11208UOM型Flash芯片內(nèi)部與外部引腳關(guān)系如圖2所示。對于每一個塊的訪問，都需要一個固定的物理地址，基于這個固定的物理地址來操作Flash存儲器，在對塊進(jìn)行操作的時候，一個塊地址對應(yīng)一個塊，如果這個塊壞了，那么這個地址的存在就沒有意義了。就像ARM芯片在引導(dǎo)的時候，需要復(fù)制Flash的前4 KB的數(shù)據(jù)，這樣需要固定塊的數(shù)據(jù)。如果這個塊壞了，系統(tǒng)將無法引導(dǎo)。

    下面通過地址重映射的方法，即在Flash固件里面加入一個地址重映射的區(qū)域來解決這一問題。

4 基于地址重映射的讀取方法
    在實現(xiàn)地址重映射的時候，可以從塊邏輯地址O開始，查看相對應(yīng)的物理塊。如果損壞，將地址從最后一個開始向前指，而相應(yīng)的邏輯塊被標(biāo)示為壞塊。例如圖3，物理塊0損壞，邏輯塊地址0指向物理塊4095的地址，而邏輯塊地址4095被標(biāo)示為壞塊。可以看出，即使塊0摜壞，仍然可以通過邏輯地址O進(jìn)行操作，其內(nèi)部的變化，并不會影響外部的使用。唯一不同的是，F(xiàn)lash的整體空間變小了。不過即使這樣，也不會像以前那樣，第一塊壞了，就去換一個Flash。

5 性能分析
    很明顯，在數(shù)據(jù)讀取的時候增加了一步地址重映射的計算。這樣使整體性能會略微下降。下面分析一下加入地址重映射之后的性能影響(這里僅僅分析數(shù)據(jù)的讀取性能，因為對Flash操作最多的是數(shù)據(jù)的讀取，用戶使用時也是讀取最多)。
    地址重映射是根據(jù)輸入的地址計算操作地址的。從圖4可以看出，地址重映射的計算是加在地址A25輸入之后的，因其在內(nèi)部操作，延時相對很小。而這個地址重映射在整個塊操作之中只操作一次，且其使用時間很短，故在這里可以忽略不計，其對數(shù)據(jù)的讀取操作基本沒有影響。

    加入地址重映射之后，壞塊全部集中到了整個Flash設(shè)備的最后。也就是說，即使這個Flash中有1024個塊壞了，仍然可以當(dāng)其為一個32 MB的Flash來使用，即其有效塊為第0～1 023塊；不像前面所描述的那樣，就算只有第一個塊壞了，這個Flash也就報廢了。經(jīng)過加入地址重映射之后的Flash，即使就剩下一塊沒有損壞的塊了，這個Flash仍然可以作為引導(dǎo)系統(tǒng)使用。

6 結(jié) 論
    通過在Flash內(nèi)部加入地址重映射機(jī)制，對于使用Flash將會有很大的方便，并且，即使第一個塊壞了，仍可以繼續(xù)使用這個Flash，而無需廠家保證第一個塊是好的。這樣大大延長了Flash的使用壽命，僅僅在壞塊達(dá)到一定數(shù)量的時候才需要換一個。