NAND Flash內(nèi)存設(shè)備的讀寫控制設(shè)計(jì)

引言

　　NOR Flash和NAND Flash是現(xiàn)在市場上兩種主要的非易失閃存技術(shù)。Flash因?yàn)榫哂蟹且资约翱刹脸?，在?shù)碼相機(jī)、手機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理( PDA)、掌上電腦、MP3播放器等手持設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用。NAND Flash相對(duì)于NOR Flash具有更小的體積、更快的寫入速度、更多次的可擦除次數(shù)以及更低廉的價(jià)格而得到了迅速發(fā)展。大容量的NAND Flash特別適合現(xiàn)在數(shù)碼設(shè)備中大數(shù)據(jù)量的存儲(chǔ)攜帶,可以降低成本,提高性能[1]。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1　NAND Flash和NOR Flash的區(qū)別

1.1.1　接口差別

　　NOR Flash帶有SRAM接口，有足夠的地址引腳來尋址，可以直接和CPU相連，CPU可以直接通過地址總線對(duì)NOR Flash進(jìn)行訪問,可以很容易地存取其內(nèi)部的每一個(gè)字節(jié)。

　　NAND Flash器件使用復(fù)雜的I/O口來串行地存取數(shù)據(jù)，只能通過I/O接口發(fā)送命令和地址，對(duì)NAND Flash內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問。各個(gè)產(chǎn)品或廠商的方法可能各不相同。8個(gè)引腳用來傳送控制、地址和數(shù)據(jù)信息。NAND Flash讀/寫操作采用512或2 048字節(jié)的頁。

　　NOR Flash是并行訪問，NAND Flash是串行訪問，所以相對(duì)來說，前者的速度更快些。

1.1.2　容量和成本

　　NOR Flash的成本相對(duì)高，容量相對(duì)小，常見的有128 KB、256 KB、1 MB、2 MB等；優(yōu)點(diǎn)是讀寫數(shù)據(jù)時(shí)，不容易出錯(cuò)。所以在應(yīng)用領(lǐng)域方面，NOR Flash比較適合應(yīng)用于存儲(chǔ)少量的代碼。

　　NAND Flash的單元尺寸幾乎是NOR Flash器件的一半，由于生產(chǎn)過程更為簡單，也就相應(yīng)地降低了價(jià)格。容量比較大，由于價(jià)格便宜，更適合存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)。

1.1.3　可靠性和耐用性

　　采用Flash介質(zhì)時(shí)一個(gè)需要重點(diǎn)考慮的問題是可靠性。對(duì)于需要擴(kuò)展MTBF的系統(tǒng)來說，F(xiàn)lash是非常合適的存儲(chǔ)方案?？梢詮膲勖?耐用性)、位交換和壞塊處理三個(gè)方面來比較NOR Flash和NAND Flash的可靠性。壽命(耐用性)在NAND Flash閃存中每個(gè)塊的最大擦寫次數(shù)是一百萬次，而NOR Flash的擦寫次數(shù)是十萬次。NAND Flash除了具有10∶1的塊擦除周期優(yōu)勢，典型的NAND Flash塊尺寸要比NOR器件小8倍，每個(gè)NAND Flash塊在給定的時(shí)間內(nèi)的刪除次數(shù)要少一些。

1.1.4　位反轉(zhuǎn)

　　NAND Flash和NOR Flash都可能發(fā)生比特位反轉(zhuǎn)（但NAND Flash反轉(zhuǎn)的幾率遠(yuǎn)大于NOR Flash），因此這兩者都必須進(jìn)行ECC操作；NAND Flash可能會(huì)有壞塊（出廠時(shí)廠家會(huì)對(duì)壞塊做標(biāo)記），在使用過程中也還有可能會(huì)出現(xiàn)新的壞塊，因此NAND Flash驅(qū)動(dòng)必須對(duì)壞塊進(jìn)行管理。

　　位反轉(zhuǎn)對(duì)于用NAND Flash存儲(chǔ)多媒體信息時(shí)倒不是致命的。當(dāng)然，如果用本地存儲(chǔ)設(shè)備來存儲(chǔ)操作系統(tǒng)、配置文件或其他敏感信息時(shí)，必須使用EDC/ECC系統(tǒng)以確?？煽啃浴膲K處理NAND Flash器件中的壞塊是隨機(jī)分布的。NAND Flash器件需要對(duì)介質(zhì)進(jìn)行初始化掃描來發(fā)現(xiàn)壞塊，并將壞塊標(biāo)記為不可用。

1.1.5　易于使用

　　NAND Flash不能在片內(nèi)運(yùn)行程序，而NOR Flash可以。但目前很多CPU都可以在上電時(shí)以硬件的方式先將NAND Flash的第一個(gè)Block中的內(nèi)容（一般是程序代碼，也許不足一個(gè)Block，如2 KB大?。┳詣?dòng)拷貝到RAM中，然后再運(yùn)行。因此，只要CPU支持，NAND Flash也可以當(dāng)成啟動(dòng)設(shè)備。由于需要I/O接口，NAND Flash要復(fù)雜得多。各種NAND Flash器件的存取方法因廠家而異。在使用NAND Flash器件時(shí)，必須先寫入驅(qū)動(dòng)程序，才能繼續(xù)執(zhí)行其他操作。

1.2　NAND Flash的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

　　大多數(shù)的NAND Flash都大同小異，所不同的只是該NAND Flash芯片的容量大小和讀寫速度等基本特性。

　　塊Block是NAND Flash的擦除操作的基本/最小單位。頁是讀寫操作的基本單位。

　　每一個(gè)頁，對(duì)應(yīng)還有一塊區(qū)域，叫做空閑區(qū)域/冗余區(qū)域，而在Linux系統(tǒng)中，一般叫做OOB（Out Of Band）[2]。這個(gè)區(qū)域最初基于NAND Flash的硬件特性，數(shù)據(jù)在讀寫時(shí)候相對(duì)容易出錯(cuò)，所以為了保證數(shù)據(jù)的正確性，必須要有對(duì)應(yīng)的檢測和糾錯(cuò)機(jī)制，此機(jī)制被叫做EDC(Error Detection Code)/ECC（Error Code Correction)。所以設(shè)計(jì)了多余的區(qū)域，用于放置數(shù)據(jù)的校驗(yàn)值。OOB的讀寫操作一般是隨著頁的操作一起完成的，即讀寫頁的時(shí)候，對(duì)應(yīng)地就讀寫了OOB。OOB的主要用途： 標(biāo)記是否是壞塊，存儲(chǔ)ECC數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)一些和文件系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)。

1.3　NAND Flash的接口控制設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)中選用的NAND Flash為海力士半導(dǎo)體公司(Hynix)的H27U1G8F2B[3]，它是一個(gè)1 GB的內(nèi)存，每頁的大小為2 112字節(jié)（2048＋64備用），每個(gè)塊的大小為128K+4K備用字節(jié)。H27U1G8F2B的8個(gè)I/O引腳是地址復(fù)用的，這樣可以減少引腳數(shù)，并方便系統(tǒng)升級(jí)，閃存的電源為33 V。NAND Flash H27U1G8F2B的接口控制電路如圖1所示。

圖1　NAND Flash控制電路

　　由于NAND Flash只有8個(gè)I/O引腳，而且是復(fù)用的，既可以傳數(shù)據(jù)，也可以傳地址、命令。設(shè)計(jì)命令鎖存使能(Command Latch Enable, CLE) 和 地址鎖存使能(Address Latch Enable，ALE)，就是先要發(fā)一個(gè)CLE（或ALE）命令，告訴NAND Flash的控制器一聲，下面要傳的是命令（或地址）。這樣，NAND Flash內(nèi)部才能根據(jù)傳入的內(nèi)容，進(jìn)行對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。相對(duì)于并口的NOR Flash的48或52個(gè)引腳來說，大大減小了引腳數(shù)目，這樣封裝后的芯片體積小。同時(shí)，減少了芯片接口，使用此芯片的相關(guān)的外圍電路會(huì)更簡化，避免了繁瑣的硬件連線。

2　軟件設(shè)計(jì)

2.1　NAND Flash的讀寫控制

　　Linux MTD[4]對(duì)NAND Flash芯片的讀寫主要分三部分：

① struct mtd_info中的讀寫函數(shù)，如read、write_oob等，這是MTD原始設(shè)備層與Flash硬件層之間的接口。

② struct nand_ecc_ctrl中的讀寫函數(shù)，如read_page_raw、write_page等，主要用來做一些與ECC有關(guān)的操作。

③ struct nand_chip中的讀寫函數(shù)，如read_buf、cmdfunc等，與具體的NAND controller相關(guān)，就是這部分函數(shù)與硬件的交互。

　　這三部分讀寫函數(shù)是相互配合著完成對(duì)NAND Flash芯片的讀寫的。首先，MTD上層需要讀寫NAND Flash芯片時(shí)，會(huì)調(diào)用struct mtd_info中的讀寫函數(shù)；接著，struct mtd_info中的讀寫函數(shù)就會(huì)調(diào)用struct nand_chip或struct nand_ecc_ctrl中的讀寫函數(shù)；最后，若調(diào)用的是struct nand_ecc_ctrl中的讀寫函數(shù)，那么它又會(huì)接著調(diào)用struct nand_chip中的讀寫函數(shù)。讀寫相關(guān)函數(shù)如圖2所示。

圖2　讀寫相關(guān)函數(shù)

2.2　NAND Flash的讀頁流程

2.2.1　讀頁時(shí)序

　　讀頁流程如圖3所示。可以看到如果要實(shí)現(xiàn)讀一個(gè)頁的數(shù)據(jù)，就要發(fā)送Read的命令，而且是分兩個(gè)周期，即分兩次發(fā)送對(duì)應(yīng)的命令。第一次是00h,第二次是30h，而兩次命令中間，需要發(fā)送對(duì)應(yīng)的你所要讀取的頁的地址。 圖4為讀頁時(shí)序。