基于FLASH星載存儲器的高效管理研究

為了提高存儲速率，引入并行擴展和流水線(xiàn)操作的概念，將存儲陣列劃分為流水線(xiàn)組，每組多片芯片構成并行結構。并行擴展的概念較為直接，由于單片FLASH 芯片的數據總線(xiàn) 位寬較小，因而將多片芯片的IO 端口進(jìn)行并行擴展，而所有控制信號直接連接在一起，這 樣每組芯片可以看作一個(gè)整體進(jìn)行控制，實(shí)現了數據的并行操作。并行N 片的寬總線(xiàn)結構數據處理能力可以達到單片芯片的N 倍。另外由于FLASH 芯片為串行操作接口，數據的寫(xiě)入需要經(jīng)過(guò)數據加載、芯片自動(dòng)編程、狀態(tài)讀取的過(guò)程才能執行下一次的寫(xiě)入操作，因而寫(xiě)入性能較差?？紤]到芯片自動(dòng)編程過(guò)程的時(shí)間較長(cháng)且不需要外部干預，可以借鑒流水線(xiàn)的設計思想，利用這段空閑時(shí)間對其他組芯片進(jìn)行控制，提高數據吞吐率。流水線(xiàn)操作示意圖如 圖2 所示。假設數據加載時(shí)間為T(mén)load，芯片自動(dòng)編程時(shí)間為T(mén)prog，狀態(tài)讀取時(shí)間為 Tcheck，采用M 級流水線(xiàn)完成一次流水操作的總時(shí)間不超過(guò)(Tload+Tcheck)*M+Tprog， 相比不采用流水線(xiàn)操作縮短了(M-1)*Tprog 時(shí)間，提高了數據吞吐率。具體的總線(xiàn)寬度以及 流水線(xiàn)級數設置可以根據具體應用需求確定。

最后，為了提高數據的可靠性，在 FLASH 控制模塊中增加數據檢錯糾錯處理模塊。

圖 2 流水線(xiàn)操作示意圖

3. YAFFS2 分析與改進(jìn)

YAFFS2 具有優(yōu)良的文件管理特性，但是畢竟YAFFS2 是針對商用領(lǐng)域設計的文件系統，對于空間應用并沒(méi)有特殊考慮，直接應用有其局限性。本節針對空間存儲器的特點(diǎn)，對 YAFFS2 不適合空間應用的方面提出具體的修改方案，使得修改后的文件系統能夠滿(mǎn)足空間 數據存儲的需求。

3.1 硬件結構適應性

YAFFS2 文件系統只是針對單片FLASH 設計的系統，對于FLASH 存儲陣列的結構沒(méi)有 考慮，因而不適宜于直接在陣列結構上面使用，需要進(jìn)行修改。

并行結構的處理比較簡(jiǎn)單，將同組內的所有芯片當作整體統一進(jìn)行處理即可。這樣的設計簡(jiǎn)單，但也會(huì )帶來(lái)一些額外的問(wèn)題需要注意。比如當某一片芯片出現壞塊的時(shí)候，組內其他芯片相應塊也需標記為壞塊，造成一定的存儲空間浪費。另外讀取該組狀態(tài)的時(shí)候需要同時(shí)兼顧并行多片的狀態(tài)。這些問(wèn)題需要在文件系統設計中進(jìn)行相應的修改。 流水線(xiàn)的設計較為復雜。由于YAFFS2 的存儲區管理是基于單片芯片的，因而在多級流 水線(xiàn)結構中，每級流水線(xiàn)需要單獨維護自己的存儲區，比如存儲塊的分配、壞塊的標記等。數據寫(xiě)入的時(shí)候首先需要選擇流水線(xiàn)級，在流水線(xiàn)級內部再采用現有的存儲區管理方式。

3.2 壞塊管理策略

FLASH 壞塊的類(lèi)型可以分為初始壞塊和使用時(shí)產(chǎn)生壞塊兩類(lèi)，不同芯片廠(chǎng)家采用不同 的方式標示初始壞塊，用戶(hù)可以根據具體的芯片手冊進(jìn)行壞塊識別。三星NAND FLASH 通 過(guò)在每塊的第一頁(yè)或第二頁(yè)的第2048 字節寫(xiě)入非0xFF 來(lái)標示初始壞塊，新產(chǎn)生的壞塊則 需要用戶(hù)自己進(jìn)行記錄。

壞塊管理的首要任務(wù)就是對壞塊進(jìn)行識別和標記，并且對于壞塊盡量不再進(jìn)行擦寫(xiě)操 作。YAFFS2 文件系統要求底層FLASH 驅動(dòng)提供壞塊識別和標記的函數，文件系統對這部分 功能并沒(méi)有實(shí)現，也沒(méi)有要求具體的實(shí)現方式?？紤]到存儲區的并行結構特點(diǎn)，本方案對新產(chǎn)生的壞塊也采用在該塊第一頁(yè)的第2048 字節寫(xiě)入非0xFF 的方法進(jìn)行標記。由于寫(xiě)入或者擦除是對組內并行多片芯片同時(shí)進(jìn)行操作，而這些芯片同時(shí)發(fā)生壞塊的概率可以認為接近于0，因而對于壞塊的標記總能夠成功寫(xiě)入某個(gè)芯片。該方法將新產(chǎn)生壞塊和原始壞塊進(jìn)行了統一，設計簡(jiǎn)單并且不需要額外的存儲空間來(lái)存儲壞塊表，缺點(diǎn)是對于新產(chǎn)生的壞塊還有 一次寫(xiě)入操作。