延長(cháng)Flash存儲囂使用壽命的研究

引 言
隨著(zhù)嵌入式系統在數碼相機、數字攝像機、移動(dòng)電話(huà)、MP3音樂(lè )播放器等移動(dòng)設備中越來(lái)越廣泛的應用，Flash存儲器已經(jīng)逐步取代其他半導體存儲元件，成為嵌入式系統中主要數據和程序載體。Flash存儲器又稱(chēng)閃存，是一種可在線(xiàn)多次擦除的非易失性存儲器NVM(Non-Volatile Memo-ry)，即掉電后數據不會(huì )丟失。Flash存儲器還具有體積小、功耗低、抗振性強等優(yōu)點(diǎn)，是嵌入式系統的首選存儲設備。
世面上常用的Flash存儲設備有兩種：NOR Flash和NAND Flash。根據存儲容量，NOR一般為1～16 MB，而NAND為8～512 MB，現在的大容量NAND已經(jīng)可以達到4 GB；讀取速度NOR較NAND快，寫(xiě)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(jià)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(guò)程中會(huì )產(chǎn)生壞塊。其表現是：當編程／擦除這個(gè)塊時(shí)，不能將某些位拉高，這會(huì )造成頁(yè)編程(page program)和塊擦除(block erase)操作時(shí)的錯誤；相應地，反映到狀態(tài)寄存器(status register)的相應位。
總體上，壞塊可以分為兩大類(lèi)：第一類(lèi)為固有壞塊，這是生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的壞塊，一般芯片原廠(chǎng)都會(huì )在出廠(chǎng)時(shí)將壞塊第一個(gè)頁(yè)的擴展區域(Spare Area)的第6個(gè)字節標記為不等于0xff的值；第二類(lèi)為使用壞塊，這是在NANDFlash使用過(guò)程中，如果塊擦除或者頁(yè)編程錯誤，就可以簡(jiǎn)單地將這個(gè)塊作為壞塊來(lái)處理，這個(gè)時(shí)候需要把壞塊標記起來(lái)。為了和固有壞塊信息保持一致，將新發(fā)現壞塊的第一個(gè)頁(yè)的擴展區域的第6個(gè)字節標記為非0xff的值。由于Flash寫(xiě)入數據的時(shí)候是先擦除塊，這樣這個(gè)塊里面的數據將全部變成0xff，寫(xiě)入1時(shí)，該位不變；寫(xiě)入0時(shí)，該位由1變?yōu)?。如果將擴展區域的第6個(gè)字節標記為非0xff之后，將不可能再恢復為0xff，除非格式化有可能恢復。
我們已經(jīng)了解到，壞了的塊是無(wú)法擦除和寫(xiě)人數據的，而在嵌入式系統中，啟動(dòng)的第一步就是將Flash里面的前4KB數據自動(dòng)復制到SRAM里面去運行。如果僅僅Flash的第一塊壞了，而導致引導程序無(wú)法下載進(jìn)去，那么這個(gè)塊不是不能讀取數據，而是讀不出我們想再要放入的數據，這樣這個(gè)Flash設備就報廢了。本文就這個(gè)問(wèn)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(gè)問(wèn)題。本文采用三星(Samscrag)公司的S3C2440 ARM處理器和NAND Flash存儲設備K9F1208UOM討論地址重映射的思想。

1 S3C2440使用NAND Flash引導系統的方法
自動(dòng)啟動(dòng)模式順序：
①復位完成；
②當設置為自動(dòng)啟動(dòng)模式，NAND Flash的開(kāi)始4 KB被拷貝到Steppingstone的4 KB內部緩沖器；
③Steppingstone映射到nGCS0；
④CPU開(kāi)始在Steppingstone執行啟動(dòng)代碼程序。
由系統引導順序看出，如果Flash的第一塊壞了，那么讀出的數據不一定是引導程序，這樣，系統將無(wú)法啟動(dòng)。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。

2 Flash存儲器的內部結構
K9F1208UOM型Flash芯片內部存儲器結構如圖1所示。

典型的NAND Flash由4 096塊組成，每一個(gè)塊包含32頁(yè)，而每頁(yè)是512+16=528字節。對于一個(gè)頁(yè)，0～511字節為主存儲區，即通常所說(shuō)的用戶(hù)可設定地址區，用來(lái)存儲數據；512～527共16字節為擴展存儲區，用來(lái)存儲頁(yè)的信息。擴展區的16字節用于描述主存儲區的512字節。而對于壞塊，也僅僅是將這16字節的第6字節設置為不等于0xff，來(lái)標示壞塊。
在NANDFlash使用過(guò)程中可能會(huì )出現這樣的問(wèn)題：產(chǎn)生壞塊或壞頁(yè)、由此引發(fā)的數據丟失、對一些扇區或塊的過(guò)分磨損導致NANDFlash壽命縮短等。為了能更好地使用NAND Flash，在其損壞時(shí)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(gè)好塊。