NAND Flash內存設備的讀寫(xiě)控制設計

引言

　　NOR Flash和NAND Flash是現在市場(chǎng)上兩種主要的非易失閃存技術(shù)。Flash因為具有非易失性及可擦除性，在數碼相機、手機、個(gè)人數字助理( PDA)、掌上電腦、MP3播放器等手持設備中得到廣泛的應用。NAND Flash相對于NOR Flash具有更小的體積、更快的寫(xiě)入速度、更多次的可擦除次數以及更低廉的價(jià)格而得到了迅速發(fā)展。大容量的NAND Flash特別適合現在數碼設備中大數據量的存儲攜帶,可以降低成本,提高性能[1]。

1　系統設計

1.1　NAND Flash和NOR Flash的區別

1.1.1　接口差別

　　NOR Flash帶有SRAM接口，有足夠的地址引腳來(lái)尋址，可以直接和CPU相連，CPU可以直接通過(guò)地址總線(xiàn)對NOR Flash進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn),可以很容易地存取其內部的每一個(gè)字節。

　　NAND Flash器件使用復雜的I/O口來(lái)串行地存取數據，只能通過(guò)I/O接口發(fā)送命令和地址，對NAND Flash內部數據進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。各個(gè)產(chǎn)品或廠(chǎng)商的方法可能各不相同。8個(gè)引腳用來(lái)傳送控制、地址和數據信息。NAND Flash讀/寫(xiě)操作采用512或2 048字節的頁(yè)。

　　NOR Flash是并行訪(fǎng)問(wèn)，NAND Flash是串行訪(fǎng)問(wèn)，所以相對來(lái)說(shuō)，前者的速度更快些。

1.1.2　容量和成本

　　NOR Flash的成本相對高，容量相對小，常見(jiàn)的有128 KB、256 KB、1 MB、2 MB等；優(yōu)點(diǎn)是讀寫(xiě)數據時(shí)，不容易出錯。所以在應用領(lǐng)域方面，NOR Flash比較適合應用于存儲少量的代碼。

　　NAND Flash的單元尺寸幾乎是NOR Flash器件的一半，由于生產(chǎn)過(guò)程更為簡(jiǎn)單，也就相應地降低了價(jià)格。容量比較大，由于價(jià)格便宜，更適合存儲大量的數據。

1.1.3　可靠性和耐用性

　　采用Flash介質(zhì)時(shí)一個(gè)需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題是可靠性。對于需要擴展MTBF的系統來(lái)說(shuō)，Flash是非常合適的存儲方案?？梢詮膲勖?耐用性)、位交換和壞塊處理三個(gè)方面來(lái)比較NOR Flash和NAND Flash的可靠性。壽命(耐用性)在NAND Flash閃存中每個(gè)塊的最大擦寫(xiě)次數是一百萬(wàn)次，而NOR Flash的擦寫(xiě)次數是十萬(wàn)次。NAND Flash除了具有10∶1的塊擦除周期優(yōu)勢，典型的NAND Flash塊尺寸要比NOR器件小8倍，每個(gè)NAND Flash塊在給定的時(shí)間內的刪除次數要少一些。

1.1.4　位反轉

　　NAND Flash和NOR Flash都可能發(fā)生比特位反轉（但NAND Flash反轉的幾率遠大于NOR Flash），因此這兩者都必須進(jìn)行ECC操作；NAND Flash可能會(huì )有壞塊（出廠(chǎng)時(shí)廠(chǎng)家會(huì )對壞塊做標記），在使用過(guò)程中也還有可能會(huì )出現新的壞塊，因此NAND Flash驅動(dòng)必須對壞塊進(jìn)行管理。

　　位反轉對于用NAND Flash存儲多媒體信息時(shí)倒不是致命的。當然，如果用本地存儲設備來(lái)存儲操作系統、配置文件或其他敏感信息時(shí)，必須使用EDC/ECC系統以確?？煽啃?。壞塊處理NAND Flash器件中的壞塊是隨機分布的。NAND Flash器件需要對介質(zhì)進(jìn)行初始化掃描來(lái)發(fā)現壞塊，并將壞塊標記為不可用。

1.1.5　易于使用

　　NAND Flash不能在片內運行程序，而NOR Flash可以。但目前很多CPU都可以在上電時(shí)以硬件的方式先將NAND Flash的第一個(gè)Block中的內容（一般是程序代碼，也許不足一個(gè)Block，如2 KB大?。┳詣?dòng)拷貝到RAM中，然后再運行。因此，只要CPU支持，NAND Flash也可以當成啟動(dòng)設備。由于需要I/O接口，NAND Flash要復雜得多。各種NAND Flash器件的存取方法因廠(chǎng)家而異。在使用NAND Flash器件時(shí)，必須先寫(xiě)入驅動(dòng)程序，才能繼續執行其他操作。

1.2　NAND Flash的存儲結構

　　大多數的NAND Flash都大同小異，所不同的只是該NAND Flash芯片的容量大小和讀寫(xiě)速度等基本特性。

　　塊Block是NAND Flash的擦除操作的基本/最小單位。頁(yè)是讀寫(xiě)操作的基本單位。

　　每一個(gè)頁(yè)，對應還有一塊區域，叫做空閑區域/冗余區域，而在Linux系統中，一般叫做OOB（Out Of Band）[2]。這個(gè)區域最初基于NAND Flash的硬件特性，數據在讀寫(xiě)時(shí)候相對容易出錯，所以為了保證數據的正確性，必須要有對應的檢測和糾錯機制，此機制被叫做EDC(Error Detection Code)/ECC（Error Code Correction)。所以設計了多余的區域，用于放置數據的校驗值。OOB的讀寫(xiě)操作一般是隨著(zhù)頁(yè)的操作一起完成的，即讀寫(xiě)頁(yè)的時(shí)候，對應地就讀寫(xiě)了OOB。OOB的主要用途： 標記是否是壞塊，存儲ECC數據，存儲一些和文件系統相關(guān)的數據。

1.3　NAND Flash的接口控制設計

　　系統中選用的NAND Flash為海力士半導體公司(Hynix)的H27U1G8F2B[3]，它是一個(gè)1 GB的內存，每頁(yè)的大小為2 112字節（2048＋64備用），每個(gè)塊的大小為128K+4K備用字節。H27U1G8F2B的8個(gè)I/O引腳是地址復用的，這樣可以減少引腳數，并方便系統升級，閃存的電源為33 V。NAND Flash H27U1G8F2B的接口控制電路如圖1所示。

圖1　NAND Flash控制電路

　　由于NAND Flash只有8個(gè)I/O引腳，而且是復用的，既可以傳數據，也可以傳地址、命令。設計命令鎖存使能(Command Latch Enable, CLE) 和 地址鎖存使能(Address Latch Enable，ALE)，就是先要發(fā)一個(gè)CLE（或ALE）命令，告訴NAND Flash的控制器一聲，下面要傳的是命令（或地址）。這樣，NAND Flash內部才能根據傳入的內容，進(jìn)行對應的動(dòng)作。相對于并口的NOR Flash的48或52個(gè)引腳來(lái)說(shuō)，大大減小了引腳數目，這樣封裝后的芯片體積小。同時(shí)，減少了芯片接口，使用此芯片的相關(guān)的外圍電路會(huì )更簡(jiǎn)化，避免了繁瑣的硬件連線(xiàn)。

2　軟件設計

2.1　NAND Flash的讀寫(xiě)控制

　　Linux MTD[4]對NAND Flash芯片的讀寫(xiě)主要分三部分：

① struct mtd_info中的讀寫(xiě)函數，如read、write_oob等，這是MTD原始設備層與Flash硬件層之間的接口。

② struct nand_ecc_ctrl中的讀寫(xiě)函數，如read_page_raw、write_page等，主要用來(lái)做一些與ECC有關(guān)的操作。

③ struct nand_chip中的讀寫(xiě)函數，如read_buf、cmdfunc等，與具體的NAND controller相關(guān)，就是這部分函數與硬件的交互。

　　這三部分讀寫(xiě)函數是相互配合著(zhù)完成對NAND Flash芯片的讀寫(xiě)的。首先，MTD上層需要讀寫(xiě)NAND Flash芯片時(shí)，會(huì )調用struct mtd_info中的讀寫(xiě)函數；接著(zhù)，struct mtd_info中的讀寫(xiě)函數就會(huì )調用struct nand_chip或struct nand_ecc_ctrl中的讀寫(xiě)函數；最后，若調用的是struct nand_ecc_ctrl中的讀寫(xiě)函數，那么它又會(huì )接著(zhù)調用struct nand_chip中的讀寫(xiě)函數。讀寫(xiě)相關(guān)函數如圖2所示。

圖2　讀寫(xiě)相關(guān)函數

2.2　NAND Flash的讀頁(yè)流程

2.2.1　讀頁(yè)時(shí)序

　　讀頁(yè)流程如圖3所示?？梢钥吹饺绻獙?shí)現讀一個(gè)頁(yè)的數據，就要發(fā)送Read的命令，而且是分兩個(gè)周期，即分兩次發(fā)送對應的命令。第一次是00h,第二次是30h，而兩次命令中間，需要發(fā)送對應的你所要讀取的頁(yè)的地址。 圖4為讀頁(yè)時(shí)序。