嵌入式系統中Nand Flash寫(xiě)平衡的研究

隨著(zhù)嵌入式技術(shù)在電子信息等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對數據存儲設備容量和性能的要求也日益提高。Nand Flash在這一領(lǐng)域的應用越來(lái)越廣泛，由于Nand Flash在寫(xiě)操作之前需要擦除整塊且使用壽命有限，因此，如何更有效的管理好Nand Flash提高其使用壽命成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。就目前已經(jīng)實(shí)現高效管理Nand Flash的研究成果來(lái)看，主要是在讀寫(xiě)操作過(guò)程中引入控制機制來(lái)實(shí)現閃存各單元的均衡擦除，從而提高其使用壽命。其中ZLG/FFS是周立功公司開(kāi)發(fā)的 Nand Flash通用驅動(dòng)程序，雖然其很好的實(shí)現了均衡管理，但在追加文件內容時(shí)需要擦除整塊，這與提高Nand Flash的使用壽命而盡量少擦除閃存塊觀(guān)點(diǎn)是相違背的，為此本文設計了一個(gè)新的FFS，其最突出的特點(diǎn)是盡可能保證在追加文件內容時(shí)不擦除閃存塊，從而提高FLASH的使用壽命，而且根根據需要，還可改寫(xiě)讀寫(xiě)接口以支持多種文件系統。

1 FFS引入

由于Nand Flash的物理特性：出廠(chǎng)之前可能存在壞塊以及操作過(guò)程中再次出現壞塊，擦除次數有限，頁(yè)讀寫(xiě)塊擦除，寫(xiě)之前須先擦除，存儲器中的數據只能由1變0等，要想更有效的使用閃存，提高其使用壽命和利用率，擦除操作必須盡可能的少，并且，擦除操作必須盡可能的均勻分布在整個(gè)閃存上。為此需設計一個(gè)文件系統來(lái)高效的管理閃存，提高其使用壽命。在引言中已提過(guò)ZLG/FFS，本文是在基于ZLG/FFS的基礎上來(lái)設計一個(gè)改進(jìn)了的FFS，用FFS來(lái)封裝底層的具體硬件操作，向上層文件系統提供一個(gè)與底層具體硬件操作無(wú)關(guān)的通用驅動(dòng)接口，可以使上層文件系統更方便的訪(fǎng)問(wèn)閃存。

2 通用驅動(dòng)程序FFS的設計

2.1 保存FFS硬件信息的結構體變量

根據Nand Flash 特性，需要一個(gè)變量ValidBlock來(lái)記錄當前物理盤(pán)的有效塊（可以保存數據的塊）數；需要一個(gè)擦除次數表來(lái)記錄每個(gè)物理塊的擦除次數；需要一個(gè)物理塊使用狀況表來(lái)表示每個(gè)物理塊是否使用以及是否是壞塊，并且，由于上層提供給FFS是邏輯扇區，同時(shí)由于有壞塊的存在，邏輯扇區與物理扇區之間不是簡(jiǎn)單的映射關(guān)系，因此需要一個(gè)邏輯塊與物理塊之間的映射表；最后還需一個(gè)指向硬件信息的結構體指針。FFS硬件信息的結構體如下：

const FlashDriver *Drive里包含了閃存的硬件參數（物理盤(pán)總塊數、總扇區數、每塊扇區數、每扇區字節數據）以及相應的閃存讀寫(xiě)、擦除閃存和檢驗寫(xiě)入扇區數據函數。

2.2 FFS物理盤(pán)存儲結構

2.2.1

物理盤(pán)數據結構

（1）系統區。由于壞塊表是與Nand Flash存儲器相對應的，它必須保存在芯片上。而Nand Flash的第0塊比較特殊，它在出廠(chǎng)時(shí)一定是有效塊，并且可以保證在擦除一定的次數后還是有效塊。因此，將壞塊表保存于第0塊比較合適。此塊不保存有效數據，稱(chēng)為系統區，其它塊為數據區，真正保存壞塊表的是第0塊每扇區的前512字節，第0扇區的備用16字節是系統標志。

（2）數據區。在一般的文件系統里，存儲數據用的每扇區字節數為512,在這里，用每扇區的備用16字節來(lái)存邏輯塊索引、物理擦塊除次數、物理狀態(tài)等信息是比較合適的，該區域稱(chēng)為屬性域，每扇區前512字節稱(chēng)為數據域。物理盤(pán)數據結構圖見(jiàn)圖1

2.2.2系統標志、屬性域數據結構和壞塊表

(1) 系統標志域。該域值現設定為“NANDFFS”，占據備用數據區的前8個(gè)字節，不足部分和保留區域置為0。

（2）壞塊表。根據Nand Flash的性質(zhì)，可以將“1”寫(xiě)為“0”,所以將物理壞塊表設置成位表，一位對應一個(gè)物理塊的狀況。如果某一塊是壞塊，則將第0塊對應位置為0。位與物理塊的對應關(guān)系為：第0扇區第0字節位0對應第0塊，位1對應第1塊，位2對應第3塊，以此類(lèi)推。