NandFlash驅動編寫知識詳解與壞塊管理

1、【Nand Flash驅動編寫之前要了解的知識】1.       硬件特性：【Flash的硬件實現(xiàn)機制】Flash全名叫做Flash Memory，屬于非易失性存儲設備(Non-volatile Memory Device)，與此相對應的是易失性存儲設備(Volatile Memory Device)。關于什么是非易失性/易失性，從名字中就可以看出，非易失性就是不容易丟失，數(shù)據(jù)存儲在這類設備中，即使斷電了，也不會丟失，這類設備，除了Flash，還有其他比較常見的入硬盤，ROM等，與此相對的，易失性就是斷電了，數(shù)據(jù)就丟失了，比

2、如大家常用的內存，不論是以前的SDRAM，DDR SDRAM，還是現(xiàn)在的DDR2，DDR3等，都是斷電后，數(shù)據(jù)就沒了。 Flash的內部存儲是MOSFET，里面有個懸浮門(Floating Gate)，是真正存儲數(shù)據(jù)的單元。在Flash之前，紫外線可擦除(uv-erasable)的EPROM，就已經(jīng)采用用Floating Gate存儲數(shù)據(jù)這一技術了。圖1.典型的Flash內存單元的物理結構數(shù)據(jù)在Flash內存單元中是以電荷(electrical charge) 形式存儲的。存儲電荷的多少，取決于圖中的外部門（external gate）所被施加的電壓，其控制了是向存儲單元中

3、沖入電荷還是使其釋放電荷。而數(shù)據(jù)的表示，以所存儲的電荷的電壓是否超過一個特定的閾值Vth來表示。 【SLC和MLC的實現(xiàn)機制】Nand Flash按照內部存儲數(shù)據(jù)單元的電壓的不同層次，也就是單個內存單元中，是存儲1位數(shù)據(jù)，還是多位數(shù)據(jù)，可以分為SLC和MLC：1.       SLC，Single Level Cell:單個存儲單元，只存儲一位數(shù)據(jù)，表示成1或0.就是上面介紹的，對于數(shù)據(jù)的表示，單個存儲單元中內部所存儲電荷的電壓，和某個特定的閾值電壓Vth，相比，如果大于此Vth值，就是表示1，反之，小于Vth，就

4、表示0.對于nand Flash的數(shù)據(jù)的寫入1，就是控制External Gate去充電，使得存儲的電荷夠多，超過閾值Vth，就表示1了。而對于寫入0，就是將其放電，電荷減少到小于Vth，就表示0了。關于為何Nand Flash不能從0變成1，我的理解是，物理上來說，是可以實現(xiàn)每一位的，從0變成1的，但是實際上，對于實際的物理實現(xiàn)，出于效率的考慮，如果對于，每一個存儲單元都能單獨控制，即，0變成1就是，對每一個存儲單元單獨去充電，所需要的硬件實現(xiàn)就很復雜和昂貴，同時，所進行對塊擦除的操作，也就無法實現(xiàn)之前的，一閃而過的速度了，也就失去了Flash的眾多特性了。 2. 

5、60;     MLC，Multi Level Cell：與SLC相對應，就是單個存儲單元，可以存儲多個位，比如2位，4位等。其實現(xiàn)機制，說起來比較簡單，就是，通過控制內部電荷的多少，分成多個閾值，通過控制里面的電荷多少，而達到我們所需要的存儲成不同的數(shù)據(jù)。比如，假設輸入電壓是Vin4V（實際沒有這樣的電壓，此處只是為了舉例方便），那么，可以設計出2的2次方4個閾值， 1/4 的Vin1V，2/4的Vin2V，3/4的Vin3V，Vin4V，分別表示2位數(shù)據(jù)00，01，10，11，對于寫入數(shù)據(jù)，就是充電，通過控制內部的電荷的

6、多少，對應表示不同的數(shù)據(jù)。對于讀取，則是通過對應的內部的電流（與Vth成反比），然后通過一系列解碼電路完成讀取，解析出所存儲的數(shù)據(jù)。這些具體的物理實現(xiàn)，都是有足夠精確的設備和技術，才能實現(xiàn)精確的數(shù)據(jù)寫入和讀出的。單個存儲單元可以存儲2位數(shù)據(jù)的，稱作2的2次方4 Level Cell，而不是2 Level Cell，這點，之前差點搞暈了。，同理，對于新出的單個存儲單元可以存儲4位數(shù)據(jù)的，稱作 2的4次方16 Level Cell。 【關于如何識別SLC還是MLC】Nand Flash設計中，有個命令叫做Read ID，讀取ID，意思是讀取芯片的ID，就像大家的身份證一樣，這里

7、讀取的ID中，是讀取好幾個字節(jié)，一般最少是4個，新的芯片，支持5個甚至更多，從這些字節(jié)中，可以解析出很多相關的信息，比如此Nand Flash內部是幾個芯片（chip）所組成的，每個chip包含了幾片（Plane），每一片中的頁大小，塊大小，等等。在這些信息中，其中有一個，就是識別此flash是SLC還是MLC。下面這個就是最常見的Nand Flash的datasheet中所規(guī)定的，第3個字節(jié)，3rd byte，所表示的信息，其中就有SLC/MLC的識別信息： DescriptionI/O7I/O6I/O5 I/O4I/O3 I/O2I/O1 I/O0InternalChip Num

8、ber1248    0    00    11    01    1Cell Type2 Level Cell4 Level Cell8 Level Cell16 Level Cell   0     00     11    

9、 01     1 Number ofSimultaneouslyProgrammed Pages1248  0     00     11     01     1  Interleave ProgramBetween multiple chipsNot SupportSupport&#

10、160;01   Cache ProgramNot SupportSupport01    表1.Nand Flash 第3個ID的含義 【Nand Flash的物理存儲單元的陣列組織結構】Nand flash的內部組織結構，此處還是用圖來解釋，比較容易理解：圖2.Nand Flash物理存儲單元的陣列組織結構上圖是K9K8G08U0A的datasheet中的描述。簡單解釋就是:1.一個nand flash由很多個塊（Block）組成，塊的大小一般是128KB，256KB，512KB，此處是128KB。2

11、.每個塊里面又包含了很多頁（page）。每個頁的大小，對于現(xiàn)在常見的nand flash多數(shù)是2KB，更新的nand flash是4KB，這類的，頁大小大于2KB的nand flash，被稱作big block，對應的發(fā)讀寫命令地址，一共5個周期(cycle)，而老的nand flash，頁大小是256B，512B，這類的nand flash被稱作small block，。地址周期只有4個。而塊，也是Nand Flash的擦除操作的基本/最小單位。3.每一個頁，對應還有一塊區(qū)域，叫做空閑區(qū)域（spare area）/冗余區(qū)域（redundant area），而Linux系統(tǒng)中，一般叫做OOB（

12、Out Of Band），這個區(qū)域，是最初基于Nand Flash的硬件特性：數(shù)據(jù)在讀寫時候相對容易錯誤，所以為了保證數(shù)據(jù)的正確性，必須要有對應的檢測和糾錯機制，此機制被叫做EDC(Error Detection Code)/ECC（Error Code Correction, 或者 Error Checking and Correcting），所以設計了多余的區(qū)域，用于放置數(shù)據(jù)的校驗值。頁是Nand Flash的寫入操作的基本/最小的單位。 【Nand Flash數(shù)據(jù)存儲單元的整體架構】簡單說就是，常見的nand flash，內部只有一個chip，每個chip只

13、有一個plane。而有些復雜的，容量更大的nand flash，內部有多個chip，每個chip有多個plane。這類的nand flash，往往也有更加高級的功能，比如下面要介紹的Multi Plane Program和Interleave Page Program等。比如，型號為K9K8G08U0A這個芯片（chip），內部有兩個K9F4G08U0A，每個K9F4G08U0A包含了2個Plane，每個Plane是1Gb，所以K9F4G08U0A的大小是1Gb×22Gb256MB，因此，K9K8G08U0A內部有2個K9F4G08U0A，即4個Plane，總大小是4×25

14、6MB1GB。而型號是K9WAG08U1A的nand flash，內部包含了2個K9K8G08U0A，所以，總容量是K9K8G08U0A的兩倍1GB×22GB，類似地K9NBG08U5A，內部包含了4個K9K8G08U0A，總大小就是4×1GB4GB。 【Flash名稱的由來】Flash的擦除操作是以block塊為單位的，與此相對應的是其他很多存儲設備，是以bit位為最小讀取/寫入的單位，F(xiàn)lash是一次性地擦除整個塊：在發(fā)送一個擦除命令后，一次性地將一個block，常見的塊的大小是128KB/256KB。，全部擦除為1，也就是里面的內容全部都是0xFF了，由于是

15、一下子就擦除了，相對來說，擦除用的時間很短，可以用一閃而過來形容，所以，叫做Flash Memory。中文有的翻譯為 （快速）閃存。 【Flash相對于普通設備的特殊性】1.       上面提到過的，F(xiàn)lash最小操作單位，有些特殊。一般設備，比如硬盤/內存，讀取和寫入都是以bit位為單位，讀取一個bit的值，將某個值寫入對應的地址的位，都是可以按位操作的。但是Flash由于物理特性，使得內部存儲的數(shù)據(jù)，只能從1變成0，這點，可以從前面的內部實現(xiàn)機制了解到，只是方便統(tǒng)一充電，不方便單獨的存儲單元去放電，

16、所以才說，只能從1變成0，也就是釋放電荷。所以，總結一下Flash的特殊性如下：  普通設備(硬盤/內存等)Flash讀取/寫入的叫法讀取/寫入讀取/編程(Program)讀取/寫入的最小單位Bit/位Page/頁擦除(Erase)操作的最小單位Bit/位Block/塊 擦除操作的含義將數(shù)據(jù)刪除/全部寫入0將整個塊都擦除成全是1，也就是里面的數(shù)據(jù)都是0xFF 對于寫操作直接寫即可在寫數(shù)據(jù)之前，要先擦除，然后再寫表2.Flash和普通設備相比所具有的特殊性注： 之所以將寫操作叫做編程，是因為，flash 和之前的EPROM，EEPROM

17、繼承發(fā)展而來，而之前的EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)，往里面寫入數(shù)據(jù)，就叫做編程Program，之所以這么稱呼，是因為其對數(shù)據(jù)的寫入，是需要用電去擦除/寫入的，就叫做編程。 對于目前常見的頁大小是2K/4K的Nand Flash，其塊的大小有128KB/256KB/512KB等。而對于Nor Flash，常見的塊大小有64K/32K等。在寫數(shù)據(jù)之前，要先擦除，內部就都變成0xFF了，然后才能寫入數(shù)據(jù)，也就是將對應位由1變成0。單片機控制Nand Flash 涉及到的算法：ECC校驗，壞塊管理，垃圾

18、搜集，負載均衡。Nand Flash原理分析與編程NAND Flash 在嵌入式系統(tǒng)中的地位與PC機上的硬盤是類似的。用于保存系統(tǒng)運行所必需的操作系統(tǒng)，應用程序，用戶數(shù)據(jù)，運行過程中產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)，系統(tǒng)掉電后數(shù)據(jù)不會護丟失.本文主要介紹關于NAND Flash的組織結構和編寫程序的方法。        在三星的NAND Flash 中，當CPU從NAND Flash開始啟動時，CPU會通過內部的硬件將NAND Flash開始的4KB數(shù)據(jù)復制到稱為“Steppingstone”的4KB的內部RAM中，起始地址為0，然后跳到地址

19、0處開始執(zhí)行。這也就是我們?yōu)槭裁纯梢园研∮?KB的程序燒到NAND Flash中，可以運行，而當大于4KB時，卻沒有辦法運行，必須借助于NAND Flash的讀操作，讀取4KB以后的程序到內存中。 NAND Flash的尋址方式和NAND Flash的memory組織方式緊密相關。NAND Flash的數(shù)據(jù)是以bit的方式保存在 memory cell（存儲單元）。一般情況下，一個cell中只能存儲一個bit。這些cell以8個或者16個為單位，連成 bit line ,形成所謂的byte(x8)/word(x16),這就是NAND Flash的位寬。 這些Line會再組成

20、Pape（頁）。然后是每32個page形成一個Block，所以一個Block（塊）大小是16k.Block是NAND Flash中最大的操作單元，其中的擦除操作是以Block為單位進行擦除的，而讀寫和編程是以page為單位進行操作的，并且讀寫之前必須進行flash的擦寫。我們這里以三星K9F1208U0M的NAND Flash 為例，它的大小是64MB的。 1block = 32page 1page = 512bytes(datafield) + 16bytes(oob) K9F1208U0B總共有4096 個Blocks，故我們可以知道這塊flash的容量為40

21、96 *(32 *528)= 69206016 Bytes = 66 MB 但事實上每個Page上的最后16Bytes是用于存貯檢驗碼用的，并不能存放實際的數(shù)據(jù)，所以實際上我們可以操作的芯片容量為 4096 *(32 *512) = 67108864 Bytes = 64 MB Nand Flash 物理結構圖 在NAND Flash中有8個I/O引腳（IO0IO7）、5個全能信號（nWE ALE CLE nCE nRE）、一個引腳，1個寫保護引腳。操作NAND Flash時，先傳輸命令，然后傳輸?shù)刂罚詈笞x寫數(shù)據(jù)。對于64MB的NAND Flash，需

22、要一個26位的地址。只能8個I/O引腳充當?shù)刂?、?shù)據(jù)、命令的復用端口，所以每次傳地址只能傳8位。這樣就需要4個地址序列。因此讀寫一次nand flash需要傳送4次（A7:0 A16:9 A24:17 A25）。64M的NAND Flash的地址范圍為0x000000000x03FFFFFF。 一頁有528個字節(jié)，而在前512B中存放著用戶的數(shù)據(jù)。在后面的16字節(jié)中（OOB）中存放著執(zhí)行命令后的狀態(tài)信息。主要是ECC校驗的標識。列地址A0-A7可以尋址的范圍是256個字節(jié)，要尋址528字節(jié)的話，將一頁分為了A.（1half array）B(2 half array) C(spare

23、array)。A區(qū)0255字節(jié)，B區(qū) 256-511 字節(jié)C區(qū)512527字節(jié)。訪問某頁時必須選定特定的區(qū)。這可以使地址指針指向特定的區(qū)實現(xiàn)。 在NAND Flash 中存在三類地址，分別為Block Address 、Column Address Page Address.。 Column Address 用來選擇是在上半頁尋址還是在下半頁尋址A0A7.也就相當于頁內的偏移地址。在進行擦除時不需要列地址，因為擦除是以塊為單位擦除。32個Page需要5bit來表示。也就是A13:9;也就是頁在塊內的相對地址。A8這一位用來設置512字節(jié)的上半頁，還是下半頁，1表示是在上半頁

24、，而2表示是在下半頁。Block的地址有A25:14組成。 存儲操作特點： 1.擦除操作的最小單位是塊 2.Nand Flash芯片每一位只能從1變?yōu)?，而不能從0變?yōu)?，所以在對其進行寫入操作之前一定要將相應塊擦除（擦除就是將相應塊的位全部變?yōu)? 3 OOB部分的第六字節(jié)（即517字節(jié)）標志是否壞塊，如果不是壞塊該值為FF，否則為壞塊 4 除OOB第六字節(jié)外，通常至少把OOB前3字節(jié)存放Nand Flash硬件ECC碼 一個容量為64M(512Mbit)的NAND Flash,分為131072頁，528列。（實際中由于存在spare

25、 area,故都大于這個值），有4096塊，需要12bit來表示即A25:14.如果是128M（1Gbit）的話，blodk Address為A26:14.由于地址只能在IO0IO7上傳送。編程時通常通過移位來實現(xiàn)地址的傳送。傳送過程如下： 第1個地址序列：傳遞column address，也就是NAND Flash7:0,這一周期不需要移位即可傳遞到I/O7:0上，而half page pointer 即A8是由操作指令決定，00h，在A區(qū)，01h在B區(qū)，指令決定在哪個half page上進行讀寫，而真正A8的值是不需要程序員關心的； 第2個地址序列：就是將NAND_AD

26、DR 右移9位，而不是8位，將NAND_ADDR16:9傳遞到I/O7:0上； 第3個地址序列：將NAND_ADDR24:17 傳遞到I/O7:0上； 第4個地址序列：將NAND_ADDR25傳送到I/O上。 整個地址的傳送過程需要4步才能完成。如果NAND Flash 的大小是32MB的以下的話，那么block address 最高位只到bit24,因此尋址只需要3步，就可以完成。 在進行擦除操作時由于是以塊進行擦除，所以只需要3個地址序列，也就是只傳遞塊的地址，即A14:25。 NAND Flash地址的計算： Column Ad

27、dress 翻譯過來是列地址，也就是在一頁里的偏移地址。其實是指定Page上的某個Byte，指定這個Byte，其實也就是指定此頁的讀寫起始地址。 Page Address:頁地址。頁的地址總是以512Bytes對齊的，所以它的低9位問題0，確定讀寫操作在NAND Flash中的哪個頁進行。 當我們得到一個Nand Flash地址addr時，我們可以這樣分解出Column Address和Page Address。 Columnaddr = addr % 512 / column address Pageaddr = addr>>9 / pag

28、e address 也就是一個Nand Flash地址的A0-A7是它的column address ,A9A25是它的Page Address，地址A8被忽略。      現(xiàn)在假設我要從Nand Flash中的第5000字節(jié)處開始讀取1024個字節(jié)到內存的0x30000000處，我們這樣調用read函數(shù) NF_Read(5000, 0x30000000,1024); 我們來分析5000這個src_addr. 根據(jù) column_addr=src_addr%512; page_addr

29、ess=(src_addr>>9); 我們可得出column_addr=5000%512=392 page_address=(5000>>9)=9 于是我們可以知道5000這個地址是在第9頁的第392個字節(jié)處，于是我們的NF_read函數(shù)將這樣發(fā)送命令和參數(shù) column_addr=5000%512; page_address=(5000>>9); NF_CMD=0x01; /要從2nd half開始讀取 所以要發(fā)送命令0x01 NF_ADDR= column_addr &0xff

30、; /1st Cycle A7:0 NF_ADDR=page_address& 0xff NF_ADDR=(page_address>>8)&0xff; /3rd.Cycle A24:17 NF_ADDR=(page_address>>16)&0xff; /4th.Cycle A25 向NandFlash的命令寄存器和地址寄存器發(fā)送完以上命令和參數(shù)之后,我們就可以從rNFDATA寄存器(NandFlash數(shù)據(jù)寄存器)讀取數(shù)據(jù)了. 我用下面的代碼進行數(shù)據(jù)的讀取. for(i=column_addr;i<512;i

31、+)  *buf+=NF_RDDATA();  每當讀取完一個Page之后,數(shù)據(jù)指針會落在下一個Page的0號Column(0號Byte).1、關于NAND FLASH 的壞塊管理就現(xiàn)在的NAND FLASH ，有串口和并口兩種，并口就是48PIN的數(shù)據(jù)的輸入和輸入公用IO的串口的就是使用SPI接口的NAND FLASH說下NAND FLASH 管理的核心思維：1 識別壞塊，標記壞塊，2 如何保存壞塊信息3 交換區(qū)概念4 保留去概念1，NANDFLASH 的工藝不能保證寫進去的每個塊里面的數(shù)據(jù)，和讀出來的數(shù)據(jù)一致，所以是存在壞塊的，而NAND FLASH

32、的數(shù)據(jù)組織結構是這樣的，由N個塊組成，而塊由M個PAGE組成+MXSPARE區(qū)比如 K9F1G08U0D 以這個片子為例子，BLOCK 大小為 128K 用戶可以寫的，實際大小為 128K + 64*4*16至于后面64*4*16的意思是這樣的， 因為該片子每個PAGE的大小為2048 也就是2K，而因為NAND 存在壞塊，所以，在每寫512個字節(jié)后，都會產(chǎn)生一個校驗碼，而這個校驗碼用來標記，該塊是壞塊還是可以正常使用的，當然這個512是針對大頁的NAND FLASH，小頁的話是每256個字節(jié)產(chǎn)出一個校驗碼，當然現(xiàn)在這樣的小頁的NAND FLASH很少見了，老了，即使有，也是拆機弄下來的，壞塊

33、的識別的話，這幾種，并口的：一個是可以根據(jù)ECC校驗算法來，判斷是否為壞塊，具體算法可以去百度查查，一個是可以判斷在寫玩數(shù)據(jù)之后，來判斷SPARE數(shù)據(jù)區(qū)域來判斷段壞塊，而對于小頁和大頁的有區(qū)別小頁的NANDFLASH ，比如一個頁的大小為1K，那么，在讀取1K后面數(shù)據(jù)的16個數(shù)據(jù)，如果第一個數(shù)據(jù)不為FF，那么標記該塊為壞塊，在標記的時候，可以標記的數(shù)據(jù)為全部為00，也就是在標記16個數(shù)據(jù)的時候表示為0而在標記的時候，一般標記的區(qū)域是這個塊的第一個PAGE后的16個數(shù)據(jù) 串口：串口的，里面有自校驗，硬件的，所以在識別的時候，可以直接裝載要判斷的PAGE的地址，然后去讀取狀態(tài)寄存器即可，

34、同樣的也可以去標記壞塊，標記花開的話和并口的一樣2 如何保存壞塊信息，壞塊信息一般包括：1 ，保存壞塊的信息的地址，也就是你要獲得壞塊信息的話，一般去哪個地址去讀，可以是固定的，也可以不是固定的，不固定的花費的時間長點，管理起來復雜2，壞塊信息要保存交換區(qū)的信息：這個信息是，你所使用的交換區(qū)，某個塊是壞塊，還是好塊 后面會介紹3，保留區(qū)的地址映射狀態(tài)，后面會介紹4 ，如何去標記該塊是作為，保存壞塊信息表格呢，至于如何保存壞塊信息，很多種方法，核心就是，用特殊的數(shù)據(jù)去標記，比如，我在用來保存壞塊信息表的時候，一般這樣標記該塊的第一個PAGE的前面八個數(shù)據(jù)是這樣的，0xff55aa00,0x000

35、0000該塊的最后一個PAGE ，最后8個數(shù)據(jù)是0X33445588.0XFF00FF00然后該塊的倒數(shù)第二個PAGE，標記交換區(qū)的信息和保留去地址映射關系，+一個校驗和而對于保存壞塊信息表格所用的塊，一般是3個或者5個不等，交替使用，或者也可以不交替使用，對于不交替使用的情況就是，一旦發(fā)生壞塊標記的情況的話，那么3或者5個塊都要被寫數(shù)據(jù)，而卻寫的數(shù)據(jù)是一樣的，有人會說，占用這么多塊不是浪費，其實，對于整個芯片來說，占用這幾個塊，而有個壞塊管理程序是值得的3 交換區(qū)概念：比如，塊0 ，該塊大小為128K， 在0X000-0X18000里面有數(shù)據(jù)，0x18800 - 0x20000這個有數(shù)據(jù)是文

36、件系統(tǒng)認為的， 而文件系統(tǒng)要在0x18000-0x18800這個512的范圍內要寫數(shù)據(jù)，那該怎么辦呢，肯定要這個塊個擦除掉的，如果沒有交換區(qū)的話，那么擦除的話，會導致在0X000-0X18000，0x18800 - 0x20000之間的數(shù)據(jù)都會丟失的，那該怎么辦呢，那就要使用交換區(qū)，交換區(qū)的作用就是這樣的，如果要擦除某個塊的話，那么首先要將這個塊里面的數(shù)據(jù)拷貝到另外一個塊里面，而這個另外一個塊，稱之為交換區(qū)，首先將整個塊的數(shù)據(jù)，全部放到一個可以用的交換區(qū)，然后再將0這個塊擦除，擦除之后0這個塊里面的數(shù)據(jù)就是FF了，那么在擦除之后，在將交換區(qū)里面的數(shù)據(jù)回寫到0這個塊里面那么出現(xiàn)的情況就

37、是0X000-0X18000，0x18200 - 0x20000 這個兩個區(qū)間內的數(shù)據(jù)還是原來的數(shù)據(jù)，在將原來的數(shù)據(jù)回寫到0塊之后，然后在將這次文件系統(tǒng)要寫的數(shù)據(jù)寫到0x18000-0x18200這個區(qū)域里面，這樣既保證數(shù)據(jù)的完整性，又能將新數(shù)據(jù)寫進去4保留區(qū)概念：保留區(qū)的作用就是這個，當在寫數(shù)據(jù)的時候發(fā)生壞塊的話，那么得將這個塊的數(shù)據(jù)要保存另外一個塊里面，同時要對產(chǎn)生的那個壞塊進行標記。2、NANDFLASH壞塊管理思維K9F2808U0C是16 MB×8 bit的NAND Flash，共有1 024個Block，1 Block=16 KB，32 Page/Block，1 Page

38、=528 B=(512 B+16 B)，其中16 B為備用區(qū)，主要存放NAND Flash出廠壞塊標記、ECC校驗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)和實際數(shù)據(jù)存放區(qū)。文件系統(tǒng)管理的空間就是實際的數(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 

39、;  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

40、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)首地址計算公式：    FLASH_BLOCK_TABLE_ADD

41、R=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*FL

42、ASH_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)功能設計   &#

43、160;壞塊映射區(qū)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(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(fā)現(xiàn)BBI表，則認為此塊為壞塊，繼續(xù)前移尋找，依此類推，直 到在預留的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的RAM中。如果還找不到，則固件認為該片F(xiàn)lash沒有BBI表。交換塊區(qū)是對NAND Flash進行擦除或寫操作時用來臨時存放數(shù)據(jù)，共分配5個塊。選取5塊是出于可

44、靠性設計。用一個數(shù)組 FlashSwapBlockStatusFLASH_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(tài)寄存器判斷該交換塊的真實狀態(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(tài)為壞。    壞塊映射區(qū)是當主機向數(shù)據(jù)區(qū)寫數(shù)據(jù)時，檢測到當前塊(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(shù)據(jù)區(qū))訪問

45、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(tǒng)所見邏輯塊地址 LBA（Logical Block Address）變成連續(xù)的，但實際上物理塊地址PBA（Physical Block Address）可能并不連續(xù)。上述方法就是壞塊管理的精髓。出于保守設計本文共選50塊作為重映塊。用數(shù)組 FlashRemapBlockStatusFLASH_BAD_BLOCKS_REMAP標識壞塊映射區(qū)的狀態(tài)：未使用、已使用還是已經(jīng)損壞。初始 化時認為壞塊映射區(qū)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(shù)組FlashBad

46、BlockTable2FLASH_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表的構建可在Flash首次上電時，通過讀取廠商設置在Flash備用區(qū)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(fā)現(xiàn)壞塊，并更新BBI表

47、。本文選擇后一種方法。3.2 壞塊映射表區(qū)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(qū)的3個塊的設計方法如下：    （1）在每塊最后一頁的首字節(jié)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(jīng)準備被擦除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和，用于校驗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。 &

48、#160;  （3）在第一頁起依次寫：表頭特殊標記(0x0055AAFF)、壞塊總數(shù)(FlashBadBlockCount)、BBI表(FlashBadBlockTable)、重映塊狀態(tài)(FlashRemapBlockStatus)，其結構如圖3所示。3.3 邏輯地址映射    在與主機批量數(shù)據(jù)傳輸時，首先對主機發(fā)送的CBW命令解析，從而固件獲得主機請求數(shù)據(jù)傳輸?shù)腖BA，再對LBA地址映射以此獲得相應的PBA，然后再執(zhí) 行主機命令。具體方法：首先讀取當前總的壞塊數(shù)FlashBadBlocksCount，如果為0，表示無壞塊，LBA就不用映射，直接返回；如

49、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。可以采用二 分法查表實現(xiàn)兩地址快速比較4。3.4 壞塊處理    對映射后的地址進行寫或擦除過程中發(fā)現(xiàn)當前塊變壞的處理方法：首先查找映射區(qū)中的塊狀態(tài) FlashRemapBlockStatusFLASH_BAD_BLOCKS_REMAP，尋找可用的映射塊。如果50個重映塊都被標記

50、為壞或已使 用，則程序進入死循環(huán)；如果找到可用的映射塊，則固件對可能出現(xiàn)壞塊的三種情況進行散轉：(1)擦除當前塊時出錯：將當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)復制某頁從交換區(qū)到操作地址時失?。菏紫全@得當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)，說明當前操作地址所對應的在數(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，此時就應該 標記當前映射塊狀態(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

51、在數(shù)據(jù)存儲區(qū)，就進行第一次重映射，更新壞塊表，并且將映射地址返回。然后再完成復制工作。(3)向操作地址寫一頁數(shù)據(jù)時出錯：將當前地址所在塊 中的前面頁從交換塊中相應地址復制到重映塊，然后將操作地址所在當前頁中的沒有寫到的數(shù)據(jù)從交換塊中復制，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)實現(xiàn)如下：    DWORD FlashDealBadBlock(DWORD Addr,DWORD Type)         DWORD i;     DWORD

52、RemapBlockAddr;     DWORD SwapBlockAddr;    while(1)            RemapBlockAddr=FlashGetNewRemapBlock();        if(RemapBlockAddr=-1)         return Addr; &

53、#160;      switch(Type)          case 1:           goto Exit;           break;           case 2:     

54、0;     SwapBlockAddr=FlashGetCurrentSwapBlock();        for(i=0;i<(Addr&(FLASH_BLOCK_SIZE-1)/FLASH_PAGE_SIZE+1;i+)                  if(0x00=(FlashCopyPage(SwapBlockAddr+i*FLASH_P

55、AGE_SIZE,RemapBlockAddr+i*FLASH_PAGE_SIZE)            goto BadRemapBlock;                    goto Exit;         break;     &#

56、160;   case 3:         SwapBlockAddr=FlashGetCurrentSwapBlock();         for(i=0;i<(Addr&(FLASH_BLOCK_SIZE-1)/FLASH_PAGE_SIZE;i+)                 &#

57、160;  if(0x00=(FlashCopyPage(SwapBlockAddr+i*FLASH_PAGE_SIZE,RemapBlockAddr+i*FLASH_PAGE_SIZE)            goto BadRemapBlock;                   if(0x00=(FlashCopyPage(Addr,RemapBlo

58、ckAddr+i*FLASH_PAGE_SIZE)            goto BadRemapBlock;         goto Exit;         break;         default:         

59、;break;        BadRemapBlock:    FlashMarkRemapBlockBad(RemapBlockAddr);    Exit:FlashUpdateBadBlockTable(Addr,RemapBlockAddr);    return RemapBlockAddr+(Addr&(FLASH_BLOCK_SIZE-1);3.5 連續(xù)讀寫操作    當主機與設備建立批量傳輸

60、數(shù)據(jù)連接時，固件通過解析CBW封包獲得起始LBA。對該地址進行映射和壞塊管理從而獲得PBA。設置一個變量，當此變量有效 時，表示主機對Flash仍需要讀或寫數(shù)據(jù)，直到此變量失效為止。同時將主機上一次讀寫扇區(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行地址跨塊處理。    本文設計了一種針對NAND型的閃存轉譯層，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)設計，使塊管理結構清晰，有利于固件的開發(fā)。本文沒有對Flash的ECC校驗進行過多的設計，這是因為在實際應用中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)進行嚴格的ECC校驗，可以通過另外設計簡單的校驗方法來代替ECC校驗。3、參考ST官方資料計算