從Nand特性談其燒錄關(guān)鍵點(diǎn)

　　為什么燒錄Nand Flash經(jīng)常失敗?為什么燒錄成功了，一部分Nand芯片貼板之后系統(tǒng)卻運(yùn)行不起來(lái)?…，等等，問(wèn)了那么多為什么，那我反問(wèn)一個(gè)問(wèn)題：你了解Nand Flash的特性及其燒錄關(guān)鍵點(diǎn)嗎?

　　一、Nand flash的特性

　　1、位翻轉(zhuǎn)

　　在 NAND 閃存是通過(guò)對(duì)存儲(chǔ)單元(Cell)進(jìn)行充電來(lái)完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的，存儲(chǔ)單元的閾值電壓就對(duì)應(yīng)著數(shù)據(jù)值。當(dāng)讀取的時(shí)候，通過(guò)將它的閾值電壓與參考點(diǎn)對(duì)比來(lái)獲得其數(shù)據(jù)值。對(duì)SLC 而言，就只有兩種狀態(tài)和一個(gè)參考點(diǎn)。而對(duì)于2-Bits 的MLC 而言，它有4 種狀態(tài)和三個(gè)參考點(diǎn)。TLC就更多狀態(tài)和參考點(diǎn)。當(dāng)讀出的數(shù)據(jù)值與編程時(shí)數(shù)據(jù)值對(duì)應(yīng)的閾值電壓不相匹配時(shí)，表明數(shù)據(jù)發(fā)生了位翻轉(zhuǎn)，就帶來(lái)了可靠性問(wèn)題。導(dǎo)致位翻轉(zhuǎn)的最常見(jiàn)原因是“編程干擾”導(dǎo)致的閾值電壓漂移。

　　2、存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

　　Nand 閃存由多個(gè)Block組成，每一個(gè)Block又由多個(gè)Page組成，Page的大小一般為512+16Bytes 、2K+64Bytes以及4096+128Bytes，Page是讀取和編程的基本單位，而擦除的基本單位是Block。

　　NAND Flash的頁(yè)，包含主區(qū)(Main Area)和備用區(qū)(Spare Area)兩個(gè)域，“主區(qū)”也常稱作數(shù)據(jù)區(qū)，備用區(qū)是保留區(qū)域，一般用來(lái)標(biāo)記壞塊(bad block)和存放ECC的值，當(dāng)然有些文件系統(tǒng)使用備用區(qū)記錄擦除次數(shù)、文件組織數(shù)據(jù)等。

　　圖1.1 為頁(yè)大小為2048+64的閃存存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

　　3、壞塊及ECC

　　位翻轉(zhuǎn)的發(fā)生是隨機(jī)的，且比特誤碼的數(shù)量會(huì)隨著擦寫(xiě)次數(shù)的增加而增加。但是只要比特誤碼的數(shù)量在ECC 能夠糾正的范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)的完整性就始終有保障。在有些點(diǎn)，每頁(yè)的比特誤碼有可能很接近ECC 所能糾正的極限，NAND 的控制系統(tǒng)必須嚴(yán)防比特誤碼超過(guò)可糾錯(cuò)的范圍，否則，就可能造成數(shù)據(jù)丟失或者系統(tǒng)無(wú)法正常工作。因此，這些塊必須要標(biāo)記為壞塊。壞塊永遠(yuǎn)不應(yīng)該再用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。由于壞塊的產(chǎn)生是不可避免的，NAND 制造商在對(duì)裸片測(cè)試時(shí)會(huì)選擇對(duì)某些塊進(jìn)行壞塊標(biāo)記，而不是放棄整個(gè)裸片，所以大多數(shù)NAND 在出廠時(shí)就已經(jīng)存在標(biāo)記為壞塊的塊。如果一個(gè)NAND 的塊被標(biāo)記為壞塊，那么NAND 的容量就永久性的減小了。

　　二、Nand系統(tǒng)裸片量產(chǎn)燒錄的關(guān)鍵點(diǎn)

　　由于Nand flash芯片的特性，以其作為存儲(chǔ)介質(zhì)時(shí)必須對(duì)這些特性進(jìn)行恰當(dāng)處理，這樣系統(tǒng)才能正常運(yùn)行。系統(tǒng)設(shè)定各分區(qū)數(shù)據(jù)在Nand芯片的存儲(chǔ)布局，并且在存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)層對(duì)Nand進(jìn)行位糾錯(cuò)、壞塊管理等處理，這些信息需要系統(tǒng)/驅(qū)動(dòng)工程師明確。

　　研發(fā)階段或小批量生產(chǎn)階段，常采用在板燒錄的方式，原理是將boot通過(guò)串口下載到內(nèi)存跑起來(lái)，由boot從SD卡或網(wǎng)絡(luò)將內(nèi)核鏡像、文件系統(tǒng)鏡像等數(shù)據(jù)燒錄到Nand flash芯片。

　　為了提高生產(chǎn)效率或別的方面考慮，會(huì)使用燒錄器對(duì)Nand flash裸片進(jìn)行量產(chǎn)燒錄，由于燒錄器廠家并不知道存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)層對(duì)Nand各種特性的處理方式，所以不加正確配置就進(jìn)行燒錄的話，往往出現(xiàn)以下情況：1. 燒錄失敗，經(jīng)常是校驗(yàn)通不過(guò);2. 燒錄通過(guò)，但是部分芯片貼板之后系統(tǒng)運(yùn)行不起來(lái)，或者運(yùn)行起來(lái)某些模塊出現(xiàn)一些錯(cuò)誤與異常。這些大多不是燒錄器本身的問(wèn)題，而是裸片燒錄Nand系統(tǒng)時(shí)幾個(gè)重要的關(guān)鍵點(diǎn)沒(méi)有處理好，或者說(shuō)沒(méi)有和目標(biāo)系統(tǒng)相關(guān)處理一致。這些關(guān)鍵點(diǎn)包括：

　　1) 壞塊處理策略

　　2) 分區(qū)(Partition)

　　3) 糾錯(cuò)碼(Error Correction Codes，ECC)

　　當(dāng)然，影響燒錄的還有其他因素，比如備用區(qū)的使用情況、未用好快的格式化以及動(dòng)態(tài)元數(shù)據(jù)等，但我們這里只討論上面幾個(gè)比較普遍的因素。

　　1、壞塊處理策略

　　壞塊一般是根據(jù)芯片的壞塊標(biāo)記位置進(jìn)行識(shí)別的，而壞塊處理策略定義了在遇到壞塊時(shí)算法應(yīng)該如何處理。策略算法負(fù)責(zé)將本來(lái)應(yīng)該寫(xiě)到壞塊的內(nèi)容寫(xiě)到其它可選的好塊中。最常用的壞塊處理策略是跳過(guò)壞塊，其他典型的還有帶BBT的跳過(guò)壞塊及預(yù)留塊區(qū)等。

　　跳過(guò)壞塊的處理策略是最基本最常用的壞塊替換策略。當(dāng)燒錄中遇到壞塊時(shí)，算法簡(jiǎn)單地跳過(guò)壞塊，而將數(shù)據(jù)寫(xiě)入下一個(gè)好塊。它會(huì)造成物理數(shù)據(jù)和邏輯數(shù)據(jù)的位置偏移，這通常需要分區(qū)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

　　2、分區(qū)(Partition)

　　采用類跳過(guò)壞塊的處理策略的Nand系統(tǒng)，常常會(huì)把存儲(chǔ)區(qū)分成若干個(gè)不同的物理區(qū)域，這就是我們說(shuō)的分區(qū)，概念上很像電腦硬盤的分區(qū)。使用分區(qū)使得你有能力確保你的數(shù)據(jù)可以存到預(yù)先指定的物理塊區(qū)內(nèi)，即便在這之前發(fā)現(xiàn)了一些壞塊。這對(duì)一些底層軟件組件比如啟動(dòng)引導(dǎo)程序和某些必須很容易定位的文件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序來(lái)說(shuō)，是非常有幫助的。

　　當(dāng)使用跳過(guò)壞塊的替換策略時(shí)，壞塊會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)順移到下一個(gè)好塊。如果設(shè)置了分區(qū)，就可以指導(dǎo)燒錄器確定數(shù)據(jù)的邊界，確保數(shù)據(jù)文件不會(huì)侵占鄰近的分區(qū)。

　　圖2.2.1就是典型的嵌入式Linux系統(tǒng)的分區(qū)情況。

　　圖2.2.1 典型的嵌入式Linux系統(tǒng)分區(qū)情況

　　3、糾錯(cuò)碼(Error Correction Codes，ECC)

　　針對(duì)不同工藝、容量的NAND存儲(chǔ)系統(tǒng)采用適當(dāng)?shù)腅CC算法是應(yīng)該的，要保證系統(tǒng)的可靠性，甚至是必須的。ECC糾錯(cuò)碼一般存放在備用區(qū)中，對(duì)一整頁(yè)或?qū)㈨?yè)分成若干節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算而得。數(shù)據(jù)燒錄之前需要準(zhǔn)備好ECC(硬件ECC除外)，如果是純數(shù)據(jù)則需要使用ECC算法來(lái)生成。Nand裸片量產(chǎn)中，知道ECC算法的糾錯(cuò)能力(糾錯(cuò)位數(shù))是很重要的，因?yàn)橐ＷC生產(chǎn)效率，燒錄器如果采用ECC來(lái)進(jìn)行校驗(yàn)數(shù)據(jù)是不實(shí)際的，而通過(guò)簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)比對(duì)就可以知道數(shù)據(jù)的位翻轉(zhuǎn)個(gè)數(shù)，如果翻轉(zhuǎn)個(gè)數(shù)范圍在ECC算法的糾錯(cuò)范圍之內(nèi)，則認(rèn)為校驗(yàn)應(yīng)該是通過(guò)的。

　　三、燒錄定制

　　對(duì)于以上關(guān)鍵點(diǎn)或其它特殊部分，如果燒錄器軟件沒(méi)有支持的相應(yīng)的方案，需要聯(lián)系原廠進(jìn)行相關(guān)算法的定制，比如壞塊處理方案、ECC方案等。