NAND Flash嵌入式存儲系統結構分析

　　任意地址Addr：

　　所在塊地址：Addr（~（FLASH_BLOCK_SIZE-1））;

　　塊內偏移地址：Addr（FLASH_BLOCK_SIZE-1）;

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

　　PAGE_SIZE；

　　2.3 分區功能設計

　　壞塊映射區存放復制3份的壞塊信息BBI（Bad Block Information）表。復制3份是預防系統突然斷電，造成BBI表數據丟失。選擇最后3個(gè)塊，主要是出于固件設計。當Flash首次上電，固件程序通過(guò)讀取Flash ID，獲得設備的容量等信息，然后從Flash的最后一塊中尋找BBI表，如果最后一塊沒(méi)有發(fā)現BBI表，則認為此塊為壞塊，繼續前移尋找，依此類(lèi)推，直到在預留的3個(gè)塊中找到，并將其數據讀入到在主控芯片為其開(kāi)設的RAM中。如果還找不到，則固件認為該片Flash沒(méi)有BBI表。

　　交換塊區是對NAND Flash進(jìn)行擦除或寫(xiě)操作時(shí)用來(lái)臨時(shí)存放數據，共分配5個(gè)塊。選取5塊是出于可靠性設計。用一個(gè)數組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(shí)，固件認為所有的交換塊都是有效塊，在隨后對其進(jìn)行擦除或寫(xiě)操作時(shí)，通過(guò)讀Flash狀態(tài)寄存器判斷該交換塊的真實(shí)狀態(tài)，并記錄在數組中。交換塊的管理圍繞固件請求返回當前可用交換塊地址或當前正在使用的交換塊地址，并判斷標記當前使用的交換塊狀態(tài)為壞。

　　壞塊映射區是當主機向數據區寫(xiě)數據時(shí)，檢測到當前塊（數據區）為壞塊時(shí)，將數據寫(xiě)到壞塊映射區中的相應好塊中，并且將這兩個(gè)塊的塊地址記錄到BBI表中，以后主機若要對當前塊（數據區）訪(fǎng)問(wèn)時(shí)，只需讀BBI表就可以找到相應映射塊，從而代替壞塊的訪(fǎng)問(wèn)。這樣就使文件系統所見(jiàn)邏輯塊地址LBA（Logical Block Address）變成連續的，但實(shí)際上物理塊地址PBA（Physical Block Address）可能并不連續。上述方法就是壞塊管理的精髓。出于保守設計本文共選50塊作為重映塊。用數組FlashRemapBlockStatus［FLASH_BAD_BLOCKS_REMAP］標識壞塊映射區的狀態(tài)：未使用、已使用還是已經(jīng)損壞。初始化時(shí)認為壞塊映射區中所有塊都是好塊。

　　目前市場(chǎng)上閃存芯片主要有兩類(lèi)，即NAND Flash（Not And Flash ROM）和NOR Flash（Not Or Flash ROM）。前者具有容量大、讀寫(xiě)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)，更適合于大批量數據存儲的嵌入式系統。如今Windows仍是桌面系統的主流，對FAT文件系統提供了天然的支持。然而就技術(shù)而言，FAT文件系統并不適合Flash，因為Flash設備并不是塊設備［1］，為了不破壞兼容性，并在NAND型閃存中應用FAT文件系統，國際上提出了閃存轉譯層FTL（Flash Translation Layer）的解決方案。

　　1 NAND Flash嵌入式存儲系統結構

　　基于NAND Flash的存儲系統的設計首先要解決壞塊問(wèn)題。由于NAND Flash自身存在固有壞塊并在擦除和編程中又隨機產(chǎn)生壞塊，因此為了提高設備的可靠性應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(guò)度操作。

　　一般的基于NAND Flash嵌入式存儲系統驅動(dòng)結構分為三個(gè)層次：最底層是硬件操作接口，負責將主控芯片與Flash的控制管腳相連，這方面的固件主要實(shí)現對NAND Flash的物理操作；中間層是閃存轉譯層NFTL（NAND FTL），是封裝在Flash驅動(dòng)中的軟件模塊，其作用是將Flash模擬成與磁盤(pán)相類(lèi)似的塊設備，使對上層操作系統而言，NAND Flash就像普通磁盤(pán)一樣被訪(fǎng)問(wèn)。這一層主要是封裝一些特殊的復雜管理控制功能；最上面的層就是文件管理層，功能類(lèi)似于普通磁盤(pán)上的通用文件系統，向上層提供標準的文件操作接口?；贜AND Flash的嵌入式系統存儲結構原理圖如圖1所示。

　　根據以上兩個(gè)方面，既要在驅動(dòng)中實(shí)現壞塊管理，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中解決壞塊問(wèn)題，驅動(dòng)層只實(shí)現本身的功能，文件系統為驅動(dòng)層提供不變的接口，為上層應用程序提供可靠透明的服務(wù)。這種方法較簡(jiǎn)單，開(kāi)發(fā)周期比較短，但只對特定應用的嵌入式系統有很強的適應性；第二種方法是在驅動(dòng)層的NFTL中解決壞塊問(wèn)題，將不可靠的NAND Flash虛擬成可靠的存儲設備，為上層文件系統提供可靠透明服務(wù)，這種方法較第一種更復雜，但是此法具有較強的可移植性并能徹底斷絕與文件系統的聯(lián)系，其他文件系統也同樣適用。

　　本文是以Samsung的NAND Flash K9F2808U0C作為存儲芯片，設計了一種在NFTL上實(shí)現壞塊管理并且實(shí)現連續數據讀取的方法。

　　2 設計思想

　　2.1 閃存空間劃分

　　K9F2808U0C是16 MB×8 bit的NAND Flash，共有1 024個(gè)Block，1 Block=16 KB，32 Page/Block，1 Page=528 B=（512 B+16 B），其中16 B為備用區，主要存放NAND Flash出廠(chǎng)壞塊標記、ECC校驗碼以及用戶(hù)自定義區。K9F2808U0C地址空間是24 bit，分三個(gè)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地址，數據類(lèi)型為DWORD（4 B）。

　　將K9F2808U0C的存儲空間劃分為四個(gè)區：壞塊映射表存放區、交換塊區、壞塊映射區和實(shí)際數據存放區。文件系統管理的空間就是實(shí)際的數據存放空間，如圖2所示。