用于SD卡的NAND flash控制芯片的設計

　　O 引言

　　Flash是一種非易失存儲器，它在掉電條件下仍然能夠長(cháng)期保持數據。由于它具有容量大、速度快、功耗低、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，近幾年在U盤(pán)、SD卡、SSD硬盤(pán)等各種移動(dòng)存儲設備中得到了廣泛的應用。本文給出了一款性能優(yōu)異、成本低廉可用于SD卡的NAND flash控制芯片的設計方法。(本方法也同樣適用于其他存儲設備。文中集中探討了一種高效管理物理塊的算法，包括邏輯物理地址映射以及spare區的定義，另外，還有雙緩沖器優(yōu)化讀寫(xiě)的方法等。

　　1 Flash簡(jiǎn)介

　　1.1 SLC flash與MLC flash的比較

　　從架構上，flash可以分為SLC(Single-Level-Cell) flash和MLC(Multi-Level-Cell)flash兩種。和SLC Flash相比較，MLC flash的優(yōu)點(diǎn)是面積小、成本低：缺點(diǎn)是出錯率高，壽命短(SLC的每個(gè)block能夠擦寫(xiě)100，000次，而MLC能夠擦寫(xiě)10，000次)。由于MLC flash具有成本低的優(yōu)勢，而其出錯率高的缺陷又可以通過(guò)ECC(Error Correction Code)糾錯來(lái)有效解決，壽命短的問(wèn)題也可以通過(guò)磨損均衡來(lái)彌補，因此，MLC flash的應用更加廣泛，但在一些高端應用仍然會(huì )使SLCflash。本設計就是針對MLC flash，但是，本方法對SLC flash也能夠處理。

　　1.2 NAND flash結構

　　不同廠(chǎng)商不同型號的flash的結構都大同小異，圖l所示是三星K9G8G08UOA型號的flash結構圖，圖l中的1個(gè)flash芯片包含4096個(gè)物理塊(block)，每個(gè)物理塊含有128個(gè)頁(yè)(page)，每個(gè)頁(yè)包含2112(2048+64)字節其中多出的64字節用于存放糾錯碼及其他信息用。

　　1.3 NAND flash的特點(diǎn)

　　Flash可支持讀(Read)操作、寫(xiě)(Program)操作和擦除(Erase)操作。其中讀操作和寫(xiě)操作的基本單位是頁(yè)，擦除操作的基本單位是塊。對flash的寫(xiě)入操作只能在尚未寫(xiě)入的空閑頁(yè)上進(jìn)行，并且只能按照從低地址頁(yè)到高地址頁(yè)的順序進(jìn)行操作，而不能寫(xiě)了高地址頁(yè)之后，再寫(xiě)低地址頁(yè)。如果想要修改某個(gè)已經(jīng)寫(xiě)過(guò)的頁(yè)，只能先對整個(gè)物理塊進(jìn)行擦除，然后才能正確寫(xiě)入。

　　2 Flash管理算法

　　2.1 邏輯物理地址映射

　　由于flash具有上述特點(diǎn)，因此，如果不采用邏輯物理地址映射，將會(huì )存在兩個(gè)問(wèn)題：其一是Flash中難免會(huì )有壞塊，因而某些地址空間將是不可用的;其二，Flash讀寫(xiě)的基本單位是頁(yè)，擦除的基本單位是塊，故在同一個(gè)頁(yè)的兩次寫(xiě)之間，就必須要進(jìn)行一次擦除操作，而擦除會(huì )擦除掉整個(gè)塊，這樣，為了避免其他頁(yè)的數據丟失，就得先把這些頁(yè)中的數據暫存到其他地方備份起來(lái)，之后再和新數據一起重新寫(xiě)回到該塊中，因此，整個(gè)過(guò)程會(huì )比較復雜，而且會(huì )造成速度降低。這樣，一般都需要對flash加入邏輯物理地址映射管理算法，該算法的邏輯地址和物理地址的對應關(guān)系是變動(dòng)的。

　　2.2 兩級地址映射

　　為了減少更新數據時(shí)原有數據的搬移，提高寫(xiě)操作的速度，本文提出了采用兩級地址映射的機制，也就是在塊級別邏輯物理地址映射的基礎上引入頁(yè)級別上的邏輯物理地址映射。一個(gè)邏輯塊對應一個(gè)或兩個(gè)物理塊(稱(chēng)為母塊和子塊)，邏輯塊中的邏輯頁(yè)對應一或兩個(gè)物理塊中的某個(gè)面。圖2所示是其地址解析示意圖。

　　在讀寫(xiě)時(shí)，首先應將邏輯地址分為邏輯塊地址和邏輯頁(yè)地址，再根據塊映射表將邏輯塊地址映射到物理塊地址，然后讀取母塊和子塊中的sDare區，并據此建立頁(yè)映射表，再根據邏輯頁(yè)地址映射到物理頁(yè)地址，從而完成從邏輯地址到物理地址的轉換。其數據更新示意圖如圖3所示。

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