嵌入式系統(tǒng)中Nand Flash寫平衡的研究

隨著嵌入式技術(shù)在電子信息等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備容量和性能的要求也日益提高。Nand Flash在這一領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，由于Nand Flash在寫操作之前需要擦除整塊且使用壽命有限，因此，如何更有效的管理好Nand Flash提高其使用壽命成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。就目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高效管理Nand Flash的研究成果來看，主要是在讀寫操作過程中引入控制機(jī)制來實(shí)現(xiàn)閃存各單元的均衡擦除，從而提高其使用壽命。其中ZLG/FFS是周立功公司開發(fā)的 Nand Flash通用驅(qū)動(dòng)程序，雖然其很好的實(shí)現(xiàn)了均衡管理，但在追加文件內(nèi)容時(shí)需要擦除整塊，這與提高Nand Flash的使用壽命而盡量少擦除閃存塊觀點(diǎn)是相違背的，為此本文設(shè)計(jì)了一個(gè)新的FFS，其最突出的特點(diǎn)是盡可能保證在追加文件內(nèi)容時(shí)不擦除閃存塊，從而提高FLASH的使用壽命，而且根根據(jù)需要，還可改寫讀寫接口以支持多種文件系統(tǒng)。

1 FFS引入

由于Nand Flash的物理特性：出廠之前可能存在壞塊以及操作過程中再次出現(xiàn)壞塊，擦除次數(shù)有限，頁讀寫塊擦除，寫之前須先擦除，存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)只能由1變0等，要想更有效的使用閃存，提高其使用壽命和利用率，擦除操作必須盡可能的少，并且，擦除操作必須盡可能的均勻分布在整個(gè)閃存上。為此需設(shè)計(jì)一個(gè)文件系統(tǒng)來高效的管理閃存，提高其使用壽命。在引言中已提過ZLG/FFS，本文是在基于ZLG/FFS的基礎(chǔ)上來設(shè)計(jì)一個(gè)改進(jìn)了的FFS，用FFS來封裝底層的具體硬件操作，向上層文件系統(tǒng)提供一個(gè)與底層具體硬件操作無關(guān)的通用驅(qū)動(dòng)接口，可以使上層文件系統(tǒng)更方便的訪問閃存。

2 通用驅(qū)動(dòng)程序FFS的設(shè)計(jì)

2.1 保存FFS硬件信息的結(jié)構(gòu)體變量

根據(jù)Nand Flash 特性，需要一個(gè)變量ValidBlock來記錄當(dāng)前物理盤的有效塊（可以保存數(shù)據(jù)的塊）數(shù)；需要一個(gè)擦除次數(shù)表來記錄每個(gè)物理塊的擦除次數(shù)；需要一個(gè)物理塊使用狀況表來表示每個(gè)物理塊是否使用以及是否是壞塊，并且，由于上層提供給FFS是邏輯扇區(qū)，同時(shí)由于有壞塊的存在，邏輯扇區(qū)與物理扇區(qū)之間不是簡單的映射關(guān)系，因此需要一個(gè)邏輯塊與物理塊之間的映射表；最后還需一個(gè)指向硬件信息的結(jié)構(gòu)體指針。FFS硬件信息的結(jié)構(gòu)體如下：

const FlashDriver *Drive里包含了閃存的硬件參數(shù)（物理盤總塊數(shù)、總扇區(qū)數(shù)、每塊扇區(qū)數(shù)、每扇區(qū)字節(jié)數(shù)據(jù)）以及相應(yīng)的閃存讀寫、擦除閃存和檢驗(yàn)寫入扇區(qū)數(shù)據(jù)函數(shù)。

2.2 FFS物理盤存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

2.2.1

物理盤數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

（1）系統(tǒng)區(qū)。由于壞塊表是與Nand Flash存儲(chǔ)器相對應(yīng)的，它必須保存在芯片上。而Nand Flash的第0塊比較特殊，它在出廠時(shí)一定是有效塊，并且可以保證在擦除一定的次數(shù)后還是有效塊。因此，將壞塊表保存于第0塊比較合適。此塊不保存有效數(shù)據(jù)，稱為系統(tǒng)區(qū)，其它塊為數(shù)據(jù)區(qū)，真正保存壞塊表的是第0塊每扇區(qū)的前512字節(jié)，第0扇區(qū)的備用16字節(jié)是系統(tǒng)標(biāo)志。

（2）數(shù)據(jù)區(qū)。在一般的文件系統(tǒng)里，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)用的每扇區(qū)字節(jié)數(shù)為512,在這里，用每扇區(qū)的備用16字節(jié)來存邏輯塊索引、物理擦塊除次數(shù)、物理狀態(tài)等信息是比較合適的，該區(qū)域稱為屬性域，每扇區(qū)前512字節(jié)稱為數(shù)據(jù)域。物理盤數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖見圖1

2.2.2系統(tǒng)標(biāo)志、屬性域數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和壞塊表

(1) 系統(tǒng)標(biāo)志域。該域值現(xiàn)設(shè)定為“NANDFFS”，占據(jù)備用數(shù)據(jù)區(qū)的前8個(gè)字節(jié)，不足部分和保留區(qū)域置為0。

（2）壞塊表。根據(jù)Nand Flash的性質(zhì)，可以將“1”寫為“0”,所以將物理壞塊表設(shè)置成位表，一位對應(yīng)一個(gè)物理塊的狀況。如果某一塊是壞塊，則將第0塊對應(yīng)位置為0。位與物理塊的對應(yīng)關(guān)系為：第0扇區(qū)第0字節(jié)位0對應(yīng)第0塊，位1對應(yīng)第1塊，位2對應(yīng)第3塊，以此類推。