基于NAND Flash的轉(zhuǎn)譯層的設(shè)計

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，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，因為Flash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)，向上層提供標準的文件操作接口?；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)動中實現(xiàn)壞塊管理，又要進行塊模擬，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)計了一種在NFTL上實現(xiàn)壞塊管理并且實現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)讀取的方法。

2 設(shè)計思想

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 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

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。當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，則固件認為該片F(xiàn)lash沒有BBI表。

交換塊區(qū)是對NAND Flash進行擦除或?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。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，固件認為所有的交換塊都是有效塊，在隨后對其進行擦除或?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(yīng)好塊中，并且將這兩個塊的塊地址記錄到BBI表中，以后主機若要對當前塊(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)計本文共選50塊作為重映塊。用數(shù)組FlashRemapBlockStatus[FLASH_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(shè)計

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。本文選擇后一種方法。

3.2 壞塊映射表區(qū)的設(shè)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(shè)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。
（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(jié)構(gòu)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(yīng)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?？梢圆捎枚址ú楸韺崿F(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)FlashRemapBlockStatus[FLASH_BAD_BLOCKS_REMAP]，尋找可用的映射塊。如果50個重映塊都被標記為壞或已使用，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(zhuǎn)：(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(fù)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(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(fù)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(yīng)地址復(fù)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(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

當主機與設(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。對該地址進行映射和壞塊管理從而獲得PBA。設(shè)置一個變量，當此變量有效時，表示主機對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(shè)計了一種針對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，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校驗進行過多的設(shè)計，這是因為在實際應(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(shè)計簡單的校驗方法來代替ECC校驗。