基于NAND Flash的閃存轉譯層設計

　　目前市場上閃存芯片主要有兩類，即NAND Flash（Not And Flash ROM）和NOR Flash（Not Or Flash ROM）。前者具有容量大、讀寫速度快、芯片面積小、單元密度高、擦除速度快、成本低等特點，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，以避免對某塊的過度操作。

　　一般的基于NAND Flash嵌入式存儲系統驅動結構分為三個層次：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驅動中的軟件模塊，其作用是將Flash模擬成與磁盤相類似的塊設備，使對上層操作系統而言，NAND Flash就像普通磁盤一樣被訪問。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，功能類似于普通磁盤上的通用文件系統，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。

　　根據以上兩個方面，既要在驅動中實現壞塊管理，又要進行塊模擬，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題，驅動層只實現本身的功能，文件系統為驅動層提供不變的接口，為上層應用程序提供可靠透明的服務。這種方法較簡單，開發周期比較短，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層的NFTL中解決壞塊問題，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，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上實現壞塊管理并且實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出廠壞塊標記、ECC校驗碼以及用戶自定義區。K9F2808U0C地址空間是24 bit，分三個周期依次送入NAND Flash的地址鎖存器。本文使用的地址均為字節地址，數據類型為DWORD（4 B）。

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

　　2.2 各分區宏定義

　　#define FLASH_BLOCK_SIZE 0x40000 //16 KB/Block

　　#define FLASH_PAGE_SIZE 0x200 //512 B/Page

　　#define FLASH_SECTOR_SIZE 0x200

　　//1Page=1Sector（only K9F2808U0C）

　　#define FLASH_BLOCKS_TABLE 3//壞塊映射表存放塊數

　　#define FLASH_SWAP_BLOCKS 5 //交換區的塊數

　　#define FLASH_BAD_BLOCKS_REMAP 50

　　//壞簇重映區的塊數

　　#define FLASH_MAX_ADDR 0xFFFFFF

　　//Flash最大字節地址

　　各分區首地址計算公式：

　　FLASH_BLOCK_TABLE_ADDR=FLASH_MAX_ADDR+

　　1-3*FLASH_BLOCK_SIZE）；

　　FLASH_SWAP_BLOCK_ADDR=（FLASH_BLOCK_

　　TABLE_ADDR-5*FLASH_BLOCK_SIZE）;

　　FLASH_BAD_BLOCK_REMAP_ADDR=（FLASH_SWAP_

　　BLOCK_ADDR-50*FLASH_BLOCK_SIZE）;

　　FLASH_MAX_SECTOR_ADDR=（FLASH_MAX_ADDR-

　　3*FLASH_BLOCK_TABLE_ADDR-5*FLASH_SWAP_

　　BLOCK_ADDR-50*FLASH_BAD_BLOCK_REMAP_ADDR）；

　　文件系統管理的最大字節地址。

　　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：（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個塊，主要是出于固件設計。當Flash首次上電，固件程序通過讀取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，如果最后一塊沒有發現BBI表，則認為此塊為壞塊，繼續前移尋找，依此類推，直到在預留的3個塊中找到，并將其數據讀入到在主控芯片為其開設的RAM中。如果還找不到，則固件認為該片Flash沒有BBI表。

　　交換塊區是對NAND Flash進行擦除或寫操作時用來臨時存放數據，共分配5個塊。選取5塊是出于可靠性設計。用一個數組FlashSwapBlockStatus［FLASH_SWAP_BLOCKS］記錄交換塊狀態：有效還是已經損壞。初始化時，固件認為所有的交換塊都是有效塊，在隨后對其進行擦除或寫操作時，通過讀Flash狀態寄存器判斷該交換塊的真實狀態，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為壞。

　　壞塊映射區是當主機向數據區寫數據時，檢測到當前塊（數據區）為壞塊時，將數據寫到壞塊映射區中的相應好塊中，并且將這兩個塊的塊地址記錄到BBI表中，以后主機若要對當前塊（數據區）訪問時，只需讀BBI表就可以找到相應映射塊，從而代替壞塊的訪問。這樣就使文件系統所見邏輯塊地址LBA（Logical Block Address）變成連續的，但實際上物理塊地址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：未使用、已使用還是已經損壞。初始化時認為壞塊映射區中所有塊都是好塊。

　　3 NFTL壞塊管理設計

　　3.1 構建BBI表

　　用一數組FlashBadBlockTable［2］［FLASH_BAD_BLOCKS_REMAP］存放BBI表。第一維為壞塊（數據區）的塊地址，第二維為映射塊地址（重映塊）。

　　BBI表的構建可在Flash首次上電時，通過讀取廠商設置在Flash備用區中的壞塊標記識別壞塊，建立壞塊映射表，此法初始化時間與Flash的容量成正比；或通過讀NAND Flash所有塊內容并和0xFF作比較［3］，如果不相同，則表示壞塊。這種方法只針對新閃存，并且構建BBI表的時間長，主控芯片的占用率高；另一種方法是在Flash初次上電時先不建立壞塊表，認為當前所有的塊都是好塊，在隨后操作中發現壞塊，并更新BBI表。本文選擇后一種方法。

　　3.2 壞塊映射表區的設計

　　將BBI表通過特殊的方式保存，以后通過此種方式的逆向來識別BBI表。壞塊映射表區的3個塊的設計方法如下：

　?。?）在每塊最后一頁的首字節處做特殊標記，用于標識該塊有沒有準備被擦除：0xFF表示沒有準備被擦除；0x00表示該塊已經準備被擦除［4］。

　?。?）在每塊的倒數第二頁的首字節處寫0x00，表示該塊存放BBI表數據；并在第2、3、4、5個字節處以大端模式存放校驗和，用于校驗該塊中存放的所有數據的正確性。該頁的剩余字節寫0xFF。

　?。?）在第一頁起依次寫：表頭特殊標記（0x0055AAFF）、壞塊總數（FlashBadBlockCount）、BBI表（FlashBadBlockTable）、重映塊狀態（FlashRemapBlockStatus），其結構如圖3所示。