基于NAND Flash的轉(zhuǎn)譯層的設(shè)計(jì)

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)存儲的嵌入式系統(tǒng)。如今Windows仍是桌面系統(tǒng)的主流，對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嵌入式存儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于NAND Flash的存儲系統(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，以避免對某塊的過度操作。
一般的基于NAND Flash嵌入式存儲系統(tǒng)驅(qū)動結(jié)構(gòu)分為三個層次：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)存儲結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

根據(jù)以上兩個方面，既要在驅(qū)動中實(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)動層只實(shí)現(xiàn)本身的功能，文件系統(tǒng)為驅(qū)動層提供不變的接口，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(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的存儲空間劃分為四個區(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。
任意地址Addr：
所在塊地址：Addr(~(FLASH_BLOCK_SIZE-1));
塊內(nèi)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(qū)功能設(shè)計(jì)

壞塊映射區(qū)存放復(fù)制3份的壞塊信息BBI（Bad Block Information）表。復(fù)制3份是預(yù)防系統(tǒng)突然斷電，造成BBI表數(shù)據(jù)丟失。選擇最后3個塊，主要是出于固件設(shè)計(jì)。當(dāng)Flash首次上電，固件程序通過讀取Flash ID，獲得設(shè)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(fā)現(xiàn)BBI表，則認(rèn)為此塊為壞塊，繼續(xù)前移尋找，依此類推，直到在預(yù)留的3個塊中找到，并將其數(shù)據(jù)讀入到在主控芯片為其開設(shè)的RAM中。如果還找不到，則固件認(rèn)為該片F(xiàn)lash沒有BBI表。

交換塊區(qū)是對NAND Flash進(jìn)行擦除或?qū)懖僮鲿r用來臨時存放數(shù)據(jù)，共分配5個塊。選取5塊是出于可靠性設(shè)計(jì)。用一個數(shù)組FlashSwapBlockStatus[FLASH_SWAP_BLOCKS]記錄交換塊狀態(tài)：有效還是已經(jīng)損壞。初始化時，固件認(rèn)為所有的交換塊都是有效塊，在隨后對其進(jìn)行擦除或?qū)懖僮鲿r，通過讀Flash狀態(tài)寄存器判斷該交換塊的真實(shí)狀態(tài),并記錄在數(shù)組中。交換塊的管理圍繞固件請求返回當(dāng)前可用交換塊地址或當(dāng)前正在使用的交換塊地址，并判斷標(biāo)記當(dāng)前使用的交換塊狀態(tài)為壞。

壞塊映射區(qū)是當(dāng)主機(jī)向數(shù)據(jù)區(qū)寫數(shù)據(jù)時，檢測到當(dāng)前塊(數(shù)據(jù)區(qū))為壞塊時，將數(shù)據(jù)寫到壞塊映射區(qū)中的相應(yīng)好塊中，并且將這兩個塊的塊地址記錄到BBI表中，以后主機(jī)若要對當(dāng)前塊(數(shù)據(jù)區(qū))訪問時，只需讀BBI表就可以找到相應(yīng)映射塊，從而代替壞塊的訪問。這樣就使文件系統(tǒng)所見邏輯塊地址LBA（Logical Block Address）變成連續(xù)的，但實(shí)際上物理塊地址PBA（Physical Block Address）可能并不連續(xù)。上述方法就是壞塊管理的精髓。出于保守設(shè)計(jì)本文共選50塊作為重映塊。用數(shù)組FlashRemapBlockStatus[FLASH_BAD_BLOCKS_REMAP]標(biāo)識壞塊映射區(qū)的狀態(tài)：未使用、已使用還是已經(jīng)損壞。初始化時認(rèn)為壞塊映射區(qū)中所有塊都是好塊。

3 NFTL壞塊管理設(shè)計(jì)

3.1 構(gòu)建BBI表

用一數(shù)組FlashBadBlockTable[2][FLASH_BAD_BLOCKS_REMAP]存放BBI表。第一維為壞塊（數(shù)據(jù)區(qū)）的塊地址，第二維為映射塊地址（重映塊）。

BBI表的構(gòu)建可在Flash首次上電時，通過讀取廠商設(shè)置在Flash備用區(qū)中的壞塊標(biāo)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(nèi)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(gòu)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(rèn)為當(dāng)前所有的塊都是好塊，在隨后操作中發(fā)現(xiàn)壞塊，并更新BBI表。本文選擇后一種方法。

3.2 壞塊映射表區(qū)的設(shè)計(jì)

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(qū)的3個塊的設(shè)計(jì)方法如下：

（1）在每塊最后一頁的首字節(jié)處做特殊標(biāo)記，用于標(biāo)識該塊有沒有準(zhǔn)備被擦除：0xFF表示沒有準(zhǔn)備被擦除；0x00表示該塊已經(jīng)準(zhǔn)備被擦除[4]。
（2）在每塊的倒數(shù)第二頁的首字節(jié)處寫0x00，表示該塊存放BBI表數(shù)據(jù)；并在第2、3、4、5個字節(jié)處以大端模式存放校驗(yàn)和，用于校驗(yàn)該塊中存放的所有數(shù)據(jù)的正確性。該頁的剩余字節(jié)寫0xFF。
（3）在第一頁起依次寫：表頭特殊標(biāo)記(0x0055AAFF)、壞塊總數(shù)(FlashBadBlockCount)、BBI表(FlashBadBlockTable)、重映塊狀態(tài)(FlashRemapBlockStatus)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.3 邏輯地址映射

在與主機(jī)批量數(shù)據(jù)傳輸時，首先對主機(jī)發(fā)送的CBW命令解析，從而固件獲得主機(jī)請求數(shù)據(jù)傳輸?shù)腖BA，再對LBA地址映射以此獲得相應(yīng)的PBA，然后再執(zhí)行主機(jī)命令。具體方法：首先讀取當(dāng)前總的壞塊數(shù)FlashBadBlocksCount，如果為0，表示無壞塊，LBA就不用映射，直接返回；如果最后一次訪問地址與LBA同屬于一個塊，那么也不用地址映射；如果當(dāng)前壞塊的數(shù)量為1，判斷LBA塊地址與BBI表中壞塊地址是否相同，從而決定是否采取地址映射；如果當(dāng)前壞塊的數(shù)量不為1，就需要查找BBI表判斷是不是含有LBA的塊地址，如果存在，則要地址重新映射，如果不存在，就不用重新映射?？梢圆捎枚址ú楸韺?shí)現(xiàn)兩地址快速比較[4]。

3.4 壞塊處理

對映射后的地址進(jìn)行寫或擦除過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)前塊變壞的處理方法：首先查找映射區(qū)中的塊狀態(tài)FlashRemapBlockStatus[FLASH_BAD_BLOCKS_REMAP]，尋找可用的映射塊。如果50個重映塊都被標(biāo)記為壞或已使用，則程序進(jìn)入死循環(huán)；如果找到可用的映射塊，則固件對可能出現(xiàn)壞塊的三種情況進(jìn)行散轉(zhuǎn)：(1)擦除當(dāng)前塊時出錯：將當(dāng)前塊地址與可用的重映塊地址寫入BBI表中，按地址大小排列有利于二分法查表，并返回重映塊地址。(2)復(fù)制某頁從交換區(qū)到操作地址時失敗：首先獲得當(dāng)前使用的交換塊的塊地址，然后判斷操作地址是在數(shù)據(jù)存儲區(qū)還是在重映區(qū)。如果在重映區(qū)，說明當(dāng)前操作地址所對應(yīng)的在數(shù)據(jù)存儲區(qū)中的塊已經(jīng)是壞塊，并且在這次操作中重映塊也變壞，此時就應(yīng)該標(biāo)記當(dāng)前映射塊狀態(tài)為壞，并在重映區(qū)中尋找下一個可用重映塊，將原來在數(shù)據(jù)存儲區(qū)中的塊地址與更新后的映射塊地址寫入BBI表中，并返回新的映射后的地址；如果在數(shù)據(jù)存儲區(qū)，就進(jìn)行第一次重映射，更新壞塊表，并且將映射地址返回。然后再完成復(fù)制工作。(3)向操作地址寫一頁數(shù)據(jù)時出錯：將當(dāng)前地址所在塊中的前面頁從交換塊中相應(yīng)地址復(fù)制到重映塊，然后將操作地址所在當(dāng)前頁中的沒有寫到的數(shù)據(jù)從交換塊中復(fù)制，并將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)重新寫到重映射的地址中，并返回重映射地址。函數(shù)實(shí)現(xiàn)如下：

DWORD FlashDealBadBlock(DWORD Addr,DWORD Type)
{
DWORD i;
DWORD RemapBlockAddr;
DWORD SwapBlockAddr;
while(1)
{
RemapBlockAddr=FlashGetNewRemapBlock();
if(RemapBlockAddr==-1)
return Addr;
switch(Type)
{ case 1:
goto Exit;
break;
case 2:
SwapBlockAddr=FlashGetCurrentSwapBlock();
for(i=0;i(Addr(FLASH_BLOCK_SIZE-1))/
FLASH_PAGE_SIZE+1;i++)
{
if(0x00==(FlashCopyPage(SwapBlockAddr+
i*FLASH_PAGE_SIZE,RemapBlockAddr+
i*FLASH_PAGE_SIZE)))
goto BadRemapBlock;
}
goto Exit;
break;
case 3:
SwapBlockAddr=FlashGetCurrentSwapBlock();
for(i=0;i(Addr(FLASH_BLOCK_SIZE-1))/
FLASH_PAGE_SIZE;i++)
{
if(0x00==(FlashCopyPage(SwapBlockAddr+
i*FLASH_PAGE_SIZE,RemapBlockAddr+
i*FLASH_PAGE_SIZE)))
goto BadRemapBlock;
}
if(0x00==(FlashCopyPage(Addr,RemapBlockAddr+
i*FLASH_PAGE_SIZE)))
goto BadRemapBlock;
goto Exit;
break;
default:
break;
}
BadRemapBlock: FlashMarkRemapBlockBad
(RemapBlockAddr);
}
Exit:FlashUpdateBadBlockTable(Addr,RemapBlockAddr);
return RemapBlockAddr+(Addr(FLASH_BLOCK_SIZE-1));
}

3.5 連續(xù)讀寫操作

當(dāng)主機(jī)與設(shè)備建立批量傳輸數(shù)據(jù)連接時，固件通過解析CBW封包獲得起始LBA。對該地址進(jìn)行映射和壞塊管理從而獲得PBA。設(shè)置一個變量，當(dāng)此變量有效時，表示主機(jī)對Flash仍需要讀或?qū)憯?shù)據(jù)，直到此變量失效為止。同時將主機(jī)上一次讀寫扇區(qū)的地址存入另一個變量，此變量在連續(xù)讀中作用不大，但在連續(xù)寫時，通過與上一次寫操作地址所在塊做比較，判斷是否同屬一個塊，以此決定是不是需要進(jìn)行地址跨塊處理。

本文設(shè)計(jì)了一種針對NAND型的閃存轉(zhuǎn)譯層，使NFTL完成地址映射和壞塊管理以及連續(xù)讀寫數(shù)據(jù)的操作。對NAND Flash的分區(qū)設(shè)計(jì)，使塊管理結(jié)構(gòu)清晰，有利于固件的開發(fā)。本文沒有對Flash的ECC校驗(yàn)進(jìn)行過多的設(shè)計(jì)，這是因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中NAND Flash主要用于存儲多媒體數(shù)據(jù)（圖片、語音文件）等，并不會對它進(jìn)行頻繁的寫入或擦除操作，而且多媒體文件數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)的完整性不敏感[5]，所以不需要對存儲在其中的每一位數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格的ECC校驗(yàn)，可以通過另外設(shè)計(jì)簡單的校驗(yàn)方法來代替ECC校驗(yàn)。