用于SD卡的NAND flash控制芯片的設(shè)計
O 引言
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/180225.htmFlash是一種非易失存儲器,它在掉電條件下仍然能夠長期保持?jǐn)?shù)據(jù)。由于它具有容量大、速度快、功耗低、抗震性能好等優(yōu)點,近幾年在U盤、SD卡、SSD硬盤等各種移動存儲設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)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(shè)計方法。(本方法也同樣適用于其他存儲設(shè)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(qū)的定義,另外,還有雙緩沖器優(yōu)化讀寫的方法等。
1 Flash簡介
從架構(gòu)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)點是面積小、成本低:缺點是出錯率高,壽命短(SLC的每個block能夠擦寫100,000次,而MLC能夠擦寫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ECC(Error Correction Code)糾錯來有效解決,壽命短的問題也可以通過磨損均衡來彌補,因此,MLC flash的應(yīng)用更加廣泛,但在一些高端應(yīng)用仍然會使SLCflash。本設(shè)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(jié)構(gòu)
不同廠商不同型號的flash的結(jié)構(gòu)都大同小異,圖l所示是三星K9G8G08UOA型號的flash結(jié)構(gòu)圖,圖l中的1個flash芯片包含4096個物理塊(block),每個物理塊含有128個頁(page),每個頁包含2112(2048+64)字節(jié)其中多出的64字節(jié)用于存放糾錯碼及其他信息用。
1.3 NAND flash的特點
Flash可支持讀(Read)操作、寫(Program)操作和擦除(Erase)操作。其中讀操作和寫操作的基本單位是頁,擦除操作的基本單位是塊。對flash的寫入操作只能在尚未寫入的空閑頁上進行,并且只能按照從低地址頁到高地址頁的順序進行操作,而不能寫了高地址頁之后,再寫低地址頁。如果想要修改某個已經(jīng)寫過的頁,只能先對整個物理塊進行擦除,然后才能正確寫入。
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,因此,如果不采用邏輯物理地址映射,將會存在兩個問題:其一是Flash中難免會有壞塊,因而某些地址空間將是不可用的;其二,F(xiàn)lash讀寫的基本單位是頁,擦除的基本單位是塊,故在同一個頁的兩次寫之間,就必須要進行一次擦除操作,而擦除會擦除掉整個塊,這樣,為了避免其他頁的數(shù)據(jù)丟失,就得先把這些頁中的數(shù)據(jù)暫存到其他地方備份起來,之后再和新數(shù)據(jù)一起重新寫回到該塊中,因此,整個過程會比較復(fù)雜,而且會造成速度降低。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(yīng)關(guān)系是變動的。
2.2 兩級地址映射
為了減少更新數(shù)據(jù)時原有數(shù)據(jù)的搬移,提高寫操作的速度,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(chǔ)上引入頁級別上的邏輯物理地址映射。一個邏輯塊對應(yīng)一個或兩個物理塊(稱為母塊和子塊),邏輯塊中的邏輯頁對應(yīng)一或兩個物理塊中的某個面。圖2所示是其地址解析示意圖。
在讀寫時,首先應(yīng)將邏輯地址分為邏輯塊地址和邏輯頁地址,再根據(jù)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(qū),并據(jù)此建立頁映射表,再根據(jù)邏輯頁地址映射到物理頁地址,從而完成從邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換。其數(shù)據(jù)更新示意圖如圖3所示。
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