用于SD卡的NAND flash控制芯片的設(shè)計(jì)

　　O 引言

　　Flash是一種非易失存儲(chǔ)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(diǎn)，近幾年在U盤、SD卡、SSD硬盤等各種移動(dòng)存儲(chǔ)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(jì)方法。(本方法也同樣適用于其他存儲(chǔ)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

　　1.1 SLC flash與MLC flash的比較

　　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(diǎn)是面積小、成本低：缺點(diǎn)是出錯(cuò)率高，壽命短(SLC的每個(gè)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(cuò)率高的缺陷又可以通過ECC(Error Correction Code)糾錯(cuò)來有效解決，壽命短的問題也可以通過磨損均衡來彌補(bǔ)，因此，MLC flash的應(yīng)用更加廣泛，但在一些高端應(yīng)用仍然會(huì)使SLCflash。本設(shè)計(jì)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(gè)flash芯片包含4096個(gè)物理塊(block)，每個(gè)物理塊含有128個(gè)頁(page)，每個(gè)頁包含2112(2048+64)字節(jié)其中多出的64字節(jié)用于存放糾錯(cuò)碼及其他信息用。

　　1.3 NAND flash的特點(diǎn)

　　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(jìn)行，并且只能按照從低地址頁到高地址頁的順序進(jìn)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(gè)已經(jīng)寫過的頁，只能先對整個(gè)物理塊進(jìn)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(diǎn)，因此，如果不采用邏輯物理地址映射，將會(huì)存在兩個(gè)問題：其一是Flash中難免會(huì)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(gè)頁的兩次寫之間，就必須要進(jìn)行一次擦除操作，而擦除會(huì)擦除掉整個(gè)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(gè)過程會(huì)比較復(fù)雜，而且會(huì)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(dòng)的。

　　2.2 兩級地址映射

　　為了減少更新數(shù)據(jù)時(shí)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(jī)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(gè)邏輯塊對應(yīng)一個(gè)或兩個(gè)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(gè)物理塊中的某個(gè)面。圖2所示是其地址解析示意圖。

　　在讀寫時(shí)，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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