NAND Flash的壞塊管理設(shè)計

摘要：主要介紹了基于嵌入式Linux的NAND Flash壞塊管理設(shè)計和實現(xiàn)方案，詳細(xì)闡述了壞塊映射表的建立、維護(hù)及其相關(guān)算法，同時分析了此壞塊算法在Linux內(nèi)核及Bootloader中的具體應(yīng)用。測試結(jié)果表明該算法能夠處理NANDFlash的相關(guān)壞塊問題，具有較高的穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞：NAND Flash；嵌入式IAnux；映射表；壞塊管理

    在擁有諸多優(yōu)點的同時，NAND Flash由于生產(chǎn)工藝的問題，其在出廠時可能存在一定的壞塊。這些固有壞塊不能用于存儲數(shù)據(jù)，已被產(chǎn)家標(biāo)識好。另外，使用過程中由于讀寫次數(shù)增多，好塊也會變得不穩(wěn)定或失效，成為壞塊，這就是出廠后產(chǎn)生的壞塊。
    NAND Flash在生產(chǎn)及使用過程中都有可能產(chǎn)生壞塊，這將使得系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。應(yīng)用中一般采用跳塊策略來管理壞塊，但它不能解決系統(tǒng)運行中產(chǎn)生的壞塊情況。針對此情形，本文提出基于嵌入式Linux系統(tǒng)平臺下的一種基于壞塊映射的NAND Flash壞塊管理的方案，并詳細(xì)介紹其相關(guān)映射算法和整套系統(tǒng)的相關(guān)壞塊管理流程。

1 壞塊管理層次結(jié)構(gòu)
    Linux下的MTD(Memory Technology Device)是用于管理ROM、Flash等內(nèi)存設(shè)備的一層子系統(tǒng)，它使編寫管理內(nèi)存設(shè)備驅(qū)動變得更加簡單。
    MTD子系統(tǒng)將Flash設(shè)備或其分區(qū)抽象為MTD設(shè)備，使底層驅(qū)動只需實現(xiàn)MTD設(shè)備，而向上層文件系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)的接口，如MTD字符設(shè)備、MTD塊設(shè)備。
    如圖1所示，本方案設(shè)計中，將壞塊管理層(BBMlayer)緊靠在驅(qū)動層之上MTD層之下，從而使得MTD層對壞塊不可見，并使壞塊的管理是基于整個芯片而不是某個分區(qū)，便于上層文件系統(tǒng)實現(xiàn)損耗平衡。

    BBM層基于驅(qū)動層提供的讀、寫、擦除相關(guān)操作實現(xiàn)接口read()、write()、erase()、read_oob()、write_oob()、isbad()、mark_bad()。對于其上層MTD子系統(tǒng)而言，關(guān)于壞塊的相關(guān)接口將不存在，物理介質(zhì)類似于NORFlash。其中read_oob()、write_oob()接口為文件系統(tǒng)提供相關(guān)用途，如JFFS2的cleanmarker相關(guān)載體。

2 壞塊管理模塊的設(shè)計實現(xiàn)
2．1 壞塊管理原理
    本文的設(shè)計的壞塊管理是基于壞塊映射原理的一種實現(xiàn)。在本壞塊映射的設(shè)計中，NAND Flash被劃分為基本空間和預(yù)留空間?；究臻g為用戶看到的NANDFlash的總的存儲空間?；究臻g中的壞塊被映射到預(yù)留空間中的相應(yīng)好塊?；居成潢P(guān)系如圖2所示。映射管理信息記錄在壞塊映射表中，它存儲在預(yù)留空間。

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2．2 壞塊映射表的描述
    在預(yù)留空間存在4種形式的塊：空閑的好塊、壞塊、被映射的塊、存放映射表的塊。
    存放映射表的塊較為特殊，其中映射表不僅描述基本空間中的壞塊映射相關(guān)信息，還描述預(yù)留空間占整個Flash空間的比例等。
    設(shè)計中一張壞塊表存于一個Flash塊，表的信息存于塊中最前面的相關(guān)頁中。表的頭部長度固定，表的整個長度可變，與壞塊數(shù)目相關(guān)。
壞塊映射表結(jié)構(gòu)描述如下：  

  
    其中hdr_crc和tbl_crc用于檢驗表的完整性；rese_start_blk即預(yù)留空間的起始塊號；version用于標(biāo)識該表的版本；num_bad_blk用于描述已發(fā)現(xiàn)的壞塊數(shù)，即壞塊映射表項的數(shù)目；map_tbl為記錄壞塊映射表項內(nèi)容的首地址。任何一個映射表項包括壞塊塊號及其映射的好塊的塊號。
    由于使用過程中會產(chǎn)生新的壞塊，映射表中的表項需要增加，從而要更新Flash中的映射表。為了防止系統(tǒng)意外掉電產(chǎn)生映射表不一致問題，采用日志技術(shù)。其中version版本號標(biāo)識映射表的新舊，在更新Flash映射表的同時，版本號遞增，同時Flash舊版本映射表并不立即擦除。只有出現(xiàn)預(yù)留空間不足的情況，擦除舊版本映射表的動作才執(zhí)行。此方案還有利于調(diào)試，查看映射表的更改歷史記錄。
    在出現(xiàn)壞塊Bn后，通常包括兩個動作：寫映射表和標(biāo)識壞塊。標(biāo)識壞塊是通過在塊的00B相應(yīng)字節(jié)寫非0xFF來實現(xiàn)。
    為了支持意外掉電情形，每個版本的映射表必須在Flash里保存兩份，如果發(fā)現(xiàn)最高的版本映射表沒有兩份，或者兩份不一致，則屬于非正常情況，必須重新建立映射表。
    考慮如下情況：寫完映射表Vn，接著標(biāo)識壞塊Bn，此時掉電，則下次系統(tǒng)啟動后，出現(xiàn)映射表的壞快Bn，實際上并沒有被標(biāo)識，導(dǎo)致不一致問題。寫2份Vn可以解決此問題：寫第一份Vn后，標(biāo)識壞塊Bn，接著再寫第二份Vn。這樣即使在標(biāo)識壞塊Bn時掉電，下次系統(tǒng)加電時由于沒有發(fā)現(xiàn)2份版本相同且最高的映射表，從而識別出此非正常情況。
    同時，維護(hù)2份同版本壞塊表可以處理存放映射表的塊突然壞死而導(dǎo)致系統(tǒng)無法啟動的異常，起到備份的作用。
2．2．1 壞塊映射表的管理算法
    系統(tǒng)初始化時讀入壞塊表的內(nèi)容，在內(nèi)存中建立所有壞塊的映射信息。由于每次發(fā)現(xiàn)新的壞塊而更新壞塊表時，都會寫入兩個版本一樣的壞塊表，所以在讀入壞塊表時就要檢查兩個表是否有效和一致，可以分為以下情況：
    ①發(fā)現(xiàn)2張最高版本并且有效的壞塊表Vn+1——系統(tǒng)按表Vn+1建立映射；
    ②只發(fā)現(xiàn)1張最高版本并且有效的壞塊表Vn+1，并且有2張有效壞塊表Vn——發(fā)生在上次寫完一個Vn+1后突然掉電，使得第二個表Vn+1未寫入或?qū)懭氩煌暾?，這時需要恢復(fù)，以建立完整映射，恢復(fù)算法如圖3所示。[!--empirenews.page--]

    ③只發(fā)現(xiàn)一張最高版本并且有效地壞塊表Vn+1，并且有1張有效壞塊表Vn——發(fā)生在寫第二張Vn+1突然掉電，并且之前寫第二張Vn也發(fā)生掉電；
    ④僅發(fā)現(xiàn)一張壞塊表V0——發(fā)生在系統(tǒng)寫第二張V0時掉電，此時系統(tǒng)需重新掃描建立映射表V1；
    ⑤沒有發(fā)現(xiàn)任何壞塊表——系統(tǒng)最初狀態(tài)；
    ⑥兩個完整的壞塊表Vn+1，但num_bad_blk不一樣——這種情況發(fā)生在更新第二個壞塊表Vn+1時，寫的時候出錯，產(chǎn)生一個新的壞塊，從而第二次更新的壞塊表Vn+1的壞塊數(shù)增加了。
    對于情況①，只需在系統(tǒng)最初建立前建立好映射關(guān)系即可。
    對于情況②，它經(jīng)常出現(xiàn)在系統(tǒng)在寫或者擦除Flash數(shù)據(jù)塊時突然斷電，導(dǎo)致數(shù)據(jù)或者ECC變化，從而Flash讀導(dǎo)致ECC不正確。實際上Fl-ash塊并沒有壞。根據(jù)此種情況，將首先為此塊分配一個映射塊，并把數(shù)據(jù)拷入映射塊。接著對此塊進(jìn)行torture操作，如果發(fā)現(xiàn)它為好塊，則將之前映射操作撤銷，將數(shù)據(jù)重新拷入此好塊。如果此塊確實已壞，則將此塊標(biāo)記為壞塊，并更新映射表。
    對于情況③，分配一個新的映射塊，把有效數(shù)據(jù)寫入新塊，并建立映射信息。
    對于情況④，分配一個新的映射塊，并將此塊查出，然后建立映射信息。
    對于情況⑤，掃描整個Flash，建立映射表Vn、V0。
    對于情況⑥，則采用壞塊多的映射表Vn+1，并用它更新Vn+2、Vn+2。
2．2．2 壞塊管理及上層接口實現(xiàn)
    該模塊實現(xiàn)基于上節(jié)所述壞塊管理算法對Flash的所有有效塊的使用。它主要是處理運行中產(chǎn)生壞塊的情況，并讓上層程序屏蔽此信息。
    NAND Flash的壞塊包含如下三種類型：
    ◆Flash上存在的出廠壞塊；
    ◆讀過程發(fā)生比特反轉(zhuǎn)而被視為的壞塊；
    ◆操作過程(讀，寫，擦除)中產(chǎn)生的新的壞塊。
    對于此模塊主要完成后兩種動態(tài)壞塊類型的處理過程。對于出廠壞塊，只需在初始化時檢測出來并將其映射到一個好塊，以后的讀寫過程中對映射塊操作即可。
    對于運行中產(chǎn)生的壞塊，從操作類型(讀、寫、擦除)來進(jìn)行分別處理。
    ①讀過程中的比特反轉(zhuǎn)導(dǎo)致ECC錯誤，由于比特反轉(zhuǎn)是NAND工藝決定的，且是不可避免的隨機(jī)行為，所以不能簡單地根據(jù)ECC錯誤就將其當(dāng)作壞塊處理。具體處理流程如圖4所示，通過torture操作判斷此“壞塊”已真正成為壞塊。

    如果NAND Flash在執(zhí)行擦除或?qū)懖僮鬟^程時發(fā)生斷電，則所操作的塊內(nèi)的數(shù)據(jù)具有不確定性。下次讀該塊的內(nèi)容時，可能發(fā)生無法糾正的ECC錯誤。為了能處理這種情況，圖4中的torture處理，其實現(xiàn)原理就是選擇一些數(shù)據(jù)寫入該塊，再讀出，如果不一致則該塊已變成壞塊。[!--empirenews.page--]
    ②寫過程中發(fā)生錯誤，則該塊成為壞塊。處理方法為：為其分配一個新的有效塊，將壞塊原有數(shù)據(jù)拷貝到有效塊，并同時寫入新的數(shù)據(jù)，最后更新映射表，標(biāo)識壞塊。寫操作的錯誤處理算法如圖5所示。

    ③擦除過程發(fā)生錯誤，則該塊成為壞塊。處理方法為：為其分配一個新的有效塊，并擦除此有效塊，更新映射表，標(biāo)識壞塊。
2．3 BootIoader的壞塊管理
    在Bootloader層采用Linux內(nèi)核相同的壞塊管理策略，并復(fù)用相關(guān)代碼。Bootloader在內(nèi)存建立起的壞塊映射表可以通過內(nèi)存共享的方式，傳遞給Linux內(nèi)核，從而減少內(nèi)核重新掃描壞塊映射表的時間，加快系統(tǒng)啟動速度。

3 測試
    Cases測試方法：對一切可能情況實行模擬測試，最后進(jìn)行壓力測試。
3．1 壞塊場景模擬測試
    ①出廠壞塊；
    ②運行中產(chǎn)生壞塊：讀操作產(chǎn)生壞塊，寫操作產(chǎn)生壞塊，擦操作產(chǎn)生壞塊，比特反轉(zhuǎn)產(chǎn)生偽壞塊。
3．2 壞塊表一致性場景模擬
    ①2張相同Vn+1；
    ②1張Vn+1和2張相同Vn；
    ③1張Vn+1和1張Vn；
    ④1張Vn；
    ⑤沒有任何壞塊表；
    ⑥2張不相同的Vn+1。
3．3 壓力測試
    系統(tǒng)不間斷運行10天后，工作狀態(tài)仍然正常。
3．4 文件系統(tǒng)測試
    系統(tǒng)能夠支持對壞塊敏感的文件系統(tǒng)squashfs、cramfs，其測試案例均通過。這表明該壞塊管理方法能有效管理NAND Flash。

4 總結(jié)
    本文提出了一種基于嵌入式Linux整套系統(tǒng)的NAND Flash壞塊管理實現(xiàn)方案，并詳細(xì)介紹其壞塊映射算法。此方案目前已經(jīng)應(yīng)用到數(shù)字電視開發(fā)平臺。在系統(tǒng)平臺上的相關(guān)壞塊動態(tài)產(chǎn)生、突然掉電等大量測試表明此方案穩(wěn)定可靠。