NAND Flash嵌入式存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

　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(diǎn)，更適合于大批量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的嵌入式系統(tǒng)。如今Windows仍是桌面系統(tǒng)的主流，對(duì)FAT文件系統(tǒng)提供了天然的支持。然而就技術(shù)而言，F(xiàn)AT文件系統(tǒng)并不適合Flash，因?yàn)镕lash設(shè)備并不是塊設(shè)備［1］，為了不破壞兼容性，并在NAND型閃存中應(yīng)用FAT文件系統(tǒng)，國際上提出了閃存轉(zhuǎn)譯層FTL（Flash Translation Layer）的解決方案。

　　1 NAND Flash嵌入式存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　基于NAND Flash的存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jī)產(chǎn)生壞塊，因此為了提高設(shè)備的可靠性應(yīng)該將這兩種操作分散在閃存不同的塊中，以避免對(duì)某塊的過度操作。

　　一般的基于NAND Flash嵌入式存儲(chǔ)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)分為三個(gè)層次：最底層是硬件操作接口，負(fù)責(zé)將主控芯片與Flash的控制管腳相連，這方面的固件主要實(shí)現(xiàn)對(duì)NAND Flash的物理操作；中間層是閃存轉(zhuǎn)譯層NFTL（NAND FTL），是封裝在Flash驅(qū)動(dòng)中的軟件模塊，其作用是將Flash模擬成與磁盤相類似的塊設(shè)備，使對(duì)上層操作系統(tǒng)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(fù)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(tǒng)，向上層提供標(biāo)準(zhǔn)的文件操作接口?；贜AND Flash的嵌入式系統(tǒng)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

　　根據(jù)以上兩個(gè)方面，既要在驅(qū)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)壞塊管理，又要進(jìn)行塊模擬，所以可用的方法有兩種［2］：一是在上層文件系統(tǒng)中解決壞塊問題，驅(qū)動(dòng)層只實(shí)現(xiàn)本身的功能，文件系統(tǒng)為驅(qū)動(dòng)層提供不變的接口，為上層應(yīng)用程序提供可靠透明的服務(wù)。這種方法較簡單，開發(fā)周期比較短，但只對(duì)特定應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)有很強(qiáng)的適應(yīng)性；第二種方法是在驅(qū)動(dòng)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(chǔ)設(shè)備，為上層文件系統(tǒng)提供可靠透明服務(wù)，這種方法較第一種更復(fù)雜，但是此法具有較強(qiáng)的可移植性并能徹底斷絕與文件系統(tǒng)的聯(lián)系，其他文件系統(tǒng)也同樣適用。

　　本文是以Samsung的NAND Flash K9F2808U0C作為存儲(chǔ)芯片，設(shè)計(jì)了一種在NFTL上實(shí)現(xiàn)壞塊管理并且實(shí)現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)讀取的方法。

　　2 設(shè)計(jì)思想

　　2.1 閃存空間劃分

　　K9F2808U0C是16 MB×8 bit的NAND Flash，共有1 024個(gè)Block，1 Block=16 KB，32 Page/Block，1 Page=528 B=（512 B+16 B），其中16 B為備用區(qū)，主要存放NAND Flash出廠壞塊標(biāo)記、ECC校驗(yàn)碼以及用戶自定義區(qū)。K9F2808U0C地址空間是24 bit，分三個(gè)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(jié)地址，數(shù)據(jù)類型為DWORD（4 B）。

　　將K9F2808U0C的存儲(chǔ)空間劃分為四個(gè)區(qū)：壞塊映射表存放區(qū)、交換塊區(qū)、壞塊映射區(qū)和實(shí)際數(shù)據(jù)存放區(qū)。文件系統(tǒng)管理的空間就是實(shí)際的數(shù)據(jù)存放空間，如圖2所示。

　　2.2 各分區(qū)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(shù)

　　#define FLASH_SWAP_BLOCKS 5 //交換區(qū)的塊數(shù)

　　#define FLASH_BAD_BLOCKS_REMAP 50

　　//壞簇重映區(qū)的塊數(shù)

　　#define FLASH_MAX_ADDR 0xFFFFFF

　　//Flash最大字節(jié)地址

　　各分區(qū)首地址計(jì)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(tǒng)管理的最大字節(jié)地址。