NAND Flash嵌入式存儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

　目前市場上閃存芯片主要有兩類，即NAND Flash（Not And Flash ROM）和NOR Flash（Not Or Flash ROM）。前者具有容量大、讀寫速度快、芯片面積小、單元密度高、擦除速度快、成本低等特點(diǎn)，更適合于大批量數(shù)據(jù)存儲的嵌入式系統(tǒng)。如今Windows仍是桌面系統(tǒng)的主流，對FAT文件系統(tǒng)提供了天然的支持。然而就技術(shù)而言，F(xiàn)AT文件系統(tǒng)并不適合Flash，因為Flash設(shè)備并不是塊設(shè)備［1］，為了不破壞兼容性，并在NAND型閃存中應(yīng)用FAT文件系統(tǒng)，國際上提出了閃存轉(zhuǎn)譯層FTL（Flash Translation Layer）的解決方案。

　　1 NAND Flash嵌入式存儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　基于NAND Flash的存儲系統(tǒng)的設(shè)計首先要解決壞塊問題。由于NAND Flash自身存在固有壞塊并在擦除和編程中又隨機(jī)產(chǎn)生壞塊，因此為了提高設(shè)備的可靠性應(yīng)該將這兩種操作分散在閃存不同的塊中，以避免對某塊的過度操作。

　　一般的基于NAND Flash嵌入式存儲系統(tǒng)驅(qū)動結(jié)構(gòu)分為三個層次：最底層是硬件操作接口，負(fù)責(zé)將主控芯片與Flash的控制管腳相連，這方面的固件主要實現(xiàn)對NAND Flash的物理操作；中間層是閃存轉(zhuǎn)譯層NFTL（NAND FTL），是封裝在Flash驅(qū)動中的軟件模塊，其作用是將Flash模擬成與磁盤相類似的塊設(shè)備，使對上層操作系統(tǒng)而言，NAND Flash就像普通磁盤一樣被訪問。這一層主要是封裝一些特殊的復(fù)雜管理控制功能；最上面的層就是文件管理層，功能類似于普通磁盤上的通用文件系統(tǒng)，向上層提供標(biāo)準(zhǔn)的文件操作接口?；贜AND Flash的嵌入式系統(tǒng)存儲結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

　　

　　根據(jù)以上兩個方面，既要在驅(qū)動中實現(xiàn)壞塊管理，又要進(jìn)行塊模擬，所以可用的方法有兩種［2］：一是在上層文件系統(tǒng)中解決壞塊問題，驅(qū)動層只實現(xiàn)本身的功能，文件系統(tǒng)為驅(qū)動層提供不變的接口，為上層應(yīng)用程序提供可靠透明的服務(wù)。這種方法較簡單，開發(fā)周期比較短，但只對特定應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)有很強(qiáng)的適應(yīng)性；第二種方法是在驅(qū)動層的NFTL中解決壞塊問題，將不可靠的NAND Flash虛擬成可靠的存儲設(shè)備，為上層文件系統(tǒng)提供可靠透明服務(wù)，這種方法較第一種更復(fù)雜，但是此法具有較強(qiáng)的可移植性并能徹底斷絕與文件系統(tǒng)的聯(lián)系，其他文件系統(tǒng)也同樣適用。

　　本文是以Samsung的NAND Flash K9F2808U0C作為存儲芯片，設(shè)計了一種在NFTL上實現(xiàn)壞塊管理并且實現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)讀取的方法。

　　2 設(shè)計思想

　　2.1 閃存空間劃分

　　K9F2808U0C是16 MB×8 bit的NAND Flash，共有1 024個Block，1 Block=16 KB，32 Page/Block，1 Page=528 B=（512 B+16 B），其中16 B為備用區(qū)，主要存放NAND Flash出廠壞塊標(biāo)記、ECC校驗碼以及用戶自定義區(qū)。K9F2808U0C地址空間是24 bit，分三個周期依次送入NAND Flash的地址鎖存器。本文使用的地址均為字節(jié)地址，數(shù)據(jù)類型為DWORD（4 B）。

　　將K9F2808U0C的存儲空間劃分為四個區(qū)：壞塊映射表存放區(qū)、交換塊區(qū)、壞塊映射區(qū)和實際數(shù)據(jù)存放區(qū)。文件系統(tǒng)管理的空間就是實際的數(shù)據(jù)存放空間，如圖2所示。

　　

　　2.2 各分區(qū)宏定義

　　#define FLASH_BLOCK_SIZE 0x40000 //16 KB/Block

　　#define FLASH_PAGE_SIZE 0x200 //512 B/Page

　　#define FLASH_SECTOR_SIZE 0x200

　　//1Page=1Sector（only K9F2808U0C）

　　#define FLASH_BLOCKS_TABLE 3//壞塊映射表存放塊數(shù)

　　#define FLASH_SWAP_BLOCKS 5 //交換區(qū)的塊數(shù)

　　#define FLASH_BAD_BLOCKS_REMAP 50

　　//壞簇重映區(qū)的塊數(shù)

　　#define FLASH_MAX_ADDR 0xFFFFFF

　　//Flash最大字節(jié)地址

　　各分區(qū)首地址計算公式：

　　FLASH_BLOCK_TABLE_ADDR=FLASH_MAX_ADDR+

　　1-3*FLASH_BLOCK_SIZE）；

　　FLASH_SWAP_BLOCK_ADDR=（FLASH_BLOCK_

　　TABLE_ADDR-5*FLASH_BLOCK_SIZE）;

　　FLASH_BAD_BLOCK_REMAP_ADDR=（FLASH_SWAP_

　　BLOCK_ADDR-50*FLASH_BLOCK_SIZE）;

　　FLASH_MAX_SECTOR_ADDR=（FLASH_MAX_ADDR-

　　3*FLASH_BLOCK_TABLE_ADDR-5*FLASH_SWAP_

　　BLOCK_ADDR-50*FLASH_BAD_BLOCK_REMAP_ADDR）；

　　文件系統(tǒng)管理的最大字節(jié)地址。[!--empirenews.page--]

　　任意地址Addr：

　　所在塊地址：Addr&（~（FLASH_BLOCK_SIZE-1））;

　　塊內(nèi)偏移地址：Addr&（FLASH_BLOCK_SIZE-1）;

　　塊中的頁：（Addr&（FLASH_BLOCK_SIZE-1））/FLASH_

　　PAGE_SIZE；

　　2.3 分區(qū)功能設(shè)計

　　壞塊映射區(qū)存放復(fù)制3份的壞塊信息BBI（Bad Block Information）表。復(fù)制3份是預(yù)防系統(tǒng)突然斷電，造成BBI表數(shù)據(jù)丟失。選擇最后3個塊，主要是出于固件設(shè)計。當(dāng)Flash首次上電，固件程序通過讀取Flash ID，獲得設(shè)備的容量等信息，然后從Flash的最后一塊中尋找BBI表，如果最后一塊沒有發(fā)現(xiàn)BBI表，則認(rèn)為此塊為壞塊，繼續(xù)前移尋找，依此類推，直到在預(yù)留的3個塊中找到，并將其數(shù)據(jù)讀入到在主控芯片為其開設(shè)的RAM中。如果還找不到，則固件認(rèn)為該片F(xiàn)lash沒有BBI表。

　　交換塊區(qū)是對NAND Flash進(jìn)行擦除或?qū)懖僮鲿r用來臨時存放數(shù)據(jù)，共分配5個塊。選取5塊是出于可靠性設(shè)計。用一個數(shù)組FlashSwapBlockStatus［FLASH_SWAP_BLOCKS］記錄交換塊狀態(tài)：有效還是已經(jīng)損壞。初始化時，固件認(rèn)為所有的交換塊都是有效塊，在隨后對其進(jìn)行擦除或?qū)懖僮鲿r，通過讀Flash狀態(tài)寄存器判斷該交換塊的真實狀態(tài)，并記錄在數(shù)組中。交換塊的管理圍繞固件請求返回當(dāng)前可用交換塊地址或當(dāng)前正在使用的交換塊地址，并判斷標(biāo)記當(dāng)前使用的交換塊狀態(tài)為壞。

　　壞塊映射區(qū)是當(dāng)主機(jī)向數(shù)據(jù)區(qū)寫數(shù)據(jù)時，檢測到當(dāng)前塊（數(shù)據(jù)區(qū)）為壞塊時，將數(shù)據(jù)寫到壞塊映射區(qū)中的相應(yīng)好塊中，并且將這兩個塊的塊地址記錄到BBI表中，以后主機(jī)若要對當(dāng)前塊（數(shù)據(jù)區(qū)）訪問時，只需讀BBI表就可以找到相應(yīng)映射塊，從而代替壞塊的訪問。這樣就使文件系統(tǒng)所見邏輯塊地址LBA（Logical Block Address）變成連續(xù)的，但實際上物理塊地址PBA（Physical Block Address）可能并不連續(xù)。上述方法就是壞塊管理的精髓。出于保守設(shè)計本文共選50塊作為重映塊。用數(shù)組FlashRemapBlockStatus［FLASH_BAD_BLOCKS_REMAP］標(biāo)識壞塊映射區(qū)的狀態(tài)：未使用、已使用還是已經(jīng)損壞。初始化時認(rèn)為壞塊映射區(qū)中所有塊都是好塊。

 

　　目前市場上閃存芯片主要有兩類，即NAND Flash（Not And Flash ROM）和NOR Flash（Not Or Flash ROM）。前者具有容量大、讀寫速度快、芯片面積小、單元密度高、擦除速度快、成本低等特點(diǎn)，更適合于大批量數(shù)據(jù)存儲的嵌入式系統(tǒng)。如今Windows仍是桌面系統(tǒng)的主流，對FAT文件系統(tǒng)提供了天然的支持。然而就技術(shù)而言，F(xiàn)AT文件系統(tǒng)并不適合Flash，因為Flash設(shè)備并不是塊設(shè)備［1］，為了不破壞兼容性，并在NAND型閃存中應(yīng)用FAT文件系統(tǒng)，國際上提出了閃存轉(zhuǎn)譯層FTL（Flash Translation Layer）的解決方案。

　　1 NAND Flash嵌入式存儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　基于NAND Flash的存儲系統(tǒng)的設(shè)計首先要解決壞塊問題。由于NAND Flash自身存在固有壞塊并在擦除和編程中又隨機(jī)產(chǎn)生壞塊，因此為了提高設(shè)備的可靠性應(yīng)該將這兩種操作分散在閃存不同的塊中，以避免對某塊的過度操作。

　　一般的基于NAND Flash嵌入式存儲系統(tǒng)驅(qū)動結(jié)構(gòu)分為三個層次：最底層是硬件操作接口，負(fù)責(zé)將主控芯片與Flash的控制管腳相連，這方面的固件主要實現(xiàn)對NAND Flash的物理操作；中間層是閃存轉(zhuǎn)譯層NFTL（NAND FTL），是封裝在Flash驅(qū)動中的軟件模塊，其作用是將Flash模擬成與磁盤相類似的塊設(shè)備，使對上層操作系統(tǒng)而言，NAND Flash就像普通磁盤一樣被訪問。這一層主要是封裝一些特殊的復(fù)雜管理控制功能；最上面的層就是文件管理層，功能類似于普通磁盤上的通用文件系統(tǒng)，向上層提供標(biāo)準(zhǔn)的文件操作接口?；贜AND Flash的嵌入式系統(tǒng)存儲結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

　　

　　根據(jù)以上兩個方面，既要在驅(qū)動中實現(xiàn)壞塊管理，又要進(jìn)行塊模擬，所以可用的方法有兩種［2］：一是在上層文件系統(tǒng)中解決壞塊問題，驅(qū)動層只實現(xiàn)本身的功能，文件系統(tǒng)為驅(qū)動層提供不變的接口，為上層應(yīng)用程序提供可靠透明的服務(wù)。這種方法較簡單，開發(fā)周期比較短，但只對特定應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)有很強(qiáng)的適應(yīng)性；第二種方法是在驅(qū)動層的NFTL中解決壞塊問題，將不可靠的NAND Flash虛擬成可靠的存儲設(shè)備，為上層文件系統(tǒng)提供可靠透明服務(wù)，這種方法較第一種更復(fù)雜，但是此法具有較強(qiáng)的可移植性并能徹底斷絕與文件系統(tǒng)的聯(lián)系，其他文件系統(tǒng)也同樣適用。

　　本文是以Samsung的NAND Flash K9F2808U0C作為存儲芯片，設(shè)計了一種在NFTL上實現(xiàn)壞塊管理并且實現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)讀取的方法。

　　2 設(shè)計思想

　　2.1 閃存空間劃分

　　K9F2808U0C是16 MB×8 bit的NAND Flash，共有1 024個Block，1 Block=16 KB，32 Page/Block，1 Page=528 B=（512 B+16 B），其中16 B為備用區(qū)，主要存放NAND Flash出廠壞塊標(biāo)記、ECC校驗碼以及用戶自定義區(qū)。K9F2808U0C地址空間是24 bit，分三個周期依次送入NAND Flash的地址鎖存器。本文使用的地址均為字節(jié)地址，數(shù)據(jù)類型為DWORD（4 B）。

　　將K9F2808U0C的存儲空間劃分為四個區(qū)：壞塊映射表存放區(qū)、交換塊區(qū)、壞塊映射區(qū)和實際數(shù)據(jù)存放區(qū)。文件系統(tǒng)管理的空間就是實際的數(shù)據(jù)存放空間，如圖2所示。[!--empirenews.page--]

　　

　　2.2 各分區(qū)宏定義

　　#define FLASH_BLOCK_SIZE 0x40000 //16 KB/Block

　　#define FLASH_PAGE_SIZE 0x200 //512 B/Page

　　#define FLASH_SECTOR_SIZE 0x200

　　//1Page=1Sector（only K9F2808U0C）

　　#define FLASH_BLOCKS_TABLE 3//壞塊映射表存放塊數(shù)

　　#define FLASH_SWAP_BLOCKS 5 //交換區(qū)的塊數(shù)

　　#define FLASH_BAD_BLOCKS_REMAP 50

　　//壞簇重映區(qū)的塊數(shù)

　　#define FLASH_MAX_ADDR 0xFFFFFF

　　//Flash最大字節(jié)地址

　　各分區(qū)首地址計算公式：

　　FLASH_BLOCK_TABLE_ADDR=FLASH_MAX_ADDR+

　　1-3*FLASH_BLOCK_SIZE）；

　　FLASH_SWAP_BLOCK_ADDR=（FLASH_BLOCK_

　　TABLE_ADDR-5*FLASH_BLOCK_SIZE）;

　　FLASH_BAD_BLOCK_REMAP_ADDR=（FLASH_SWAP_

　　BLOCK_ADDR-50*FLASH_BLOCK_SIZE）;

　　FLASH_MAX_SECTOR_ADDR=（FLASH_MAX_ADDR-

　　3*FLASH_BLOCK_TABLE_ADDR-5*FLASH_SWAP_

　　BLOCK_ADDR-50*FLASH_BAD_BLOCK_REMAP_ADDR）；

　　文件系統(tǒng)管理的最大字節(jié)地址。

　　任意地址Addr：

　　所在塊地址：Addr&（~（FLASH_BLOCK_SIZE-1））;

　　塊內(nèi)偏移地址：Addr&（FLASH_BLOCK_SIZE-1）;

　　塊中的頁：（Addr&（FLASH_BLOCK_SIZE-1））/FLASH_

　　PAGE_SIZE；

　　2.3 分區(qū)功能設(shè)計

　　壞塊映射區(qū)存放復(fù)制3份的壞塊信息BBI（Bad Block Information）表。復(fù)制3份是預(yù)防系統(tǒng)突然斷電，造成BBI表數(shù)據(jù)丟失。選擇最后3個塊，主要是出于固件設(shè)計。當(dāng)Flash首次上電，固件程序通過讀取Flash ID，獲得設(shè)備的容量等信息，然后從Flash的最后一塊中尋找BBI表，如果最后一塊沒有發(fā)現(xiàn)BBI表，則認(rèn)為此塊為壞塊，繼續(xù)前移尋找，依此類推，直到在預(yù)留的3個塊中找到，并將其數(shù)據(jù)讀入到在主控芯片為其開設(shè)的RAM中。如果還找不到，則固件認(rèn)為該片F(xiàn)lash沒有BBI表。

　　交換塊區(qū)是對NAND Flash進(jìn)行擦除或?qū)懖僮鲿r用來臨時存放數(shù)據(jù)，共分配5個塊。選取5塊是出于可靠性設(shè)計。用一個數(shù)組FlashSwapBlockStatus［FLASH_SWAP_BLOCKS］記錄交換塊狀態(tài)：有效還是已經(jīng)損壞。初始化時，固件認(rèn)為所有的交換塊都是有效塊，在隨后對其進(jìn)行擦除或?qū)懖僮鲿r，通過讀Flash狀態(tài)寄存器判斷該交換塊的真實狀態(tài)，并記錄在數(shù)組中。交換塊的管理圍繞固件請求返回當(dāng)前可用交換塊地址或當(dāng)前正在使用的交換塊地址，并判斷標(biāo)記當(dāng)前使用的交換塊狀態(tài)為壞。

　　壞塊映射區(qū)是當(dāng)主機(jī)向數(shù)據(jù)區(qū)寫數(shù)據(jù)時，檢測到當(dāng)前塊（數(shù)據(jù)區(qū)）為壞塊時，將數(shù)據(jù)寫到壞塊映射區(qū)中的相應(yīng)好塊中，并且將這兩個塊的塊地址記錄到BBI表中，以后主機(jī)若要對當(dāng)前塊（數(shù)據(jù)區(qū)）訪問時，只需讀BBI表就可以找到相應(yīng)映射塊，從而代替壞塊的訪問。這樣就使文件系統(tǒng)所見邏輯塊地址LBA（Logical Block Address）變成連續(xù)的，但實際上物理塊地址PBA（Physical Block Address）可能并不連續(xù)。上述方法就是壞塊管理的精髓。出于保守設(shè)計本文共選50塊作為重映塊。用數(shù)組FlashRemapBlockStatus［FLASH_BAD_BLOCKS_REMAP］標(biāo)識壞塊映射區(qū)的狀態(tài)：未使用、已使用還是已經(jīng)損壞。初始化時認(rèn)為壞塊映射區(qū)中所有塊都是好塊。