NAND Flash存儲(chǔ)器管理算法的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

　　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(zhǎng)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(pán)、SD卡、SSD硬盤(pán)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(xiě)的方法等。

　　1 Flash簡(jiǎn)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(xiě)100，000次，而MLC能夠擦寫(xiě)10，000次)。由于MLC flash具有成本低的優(yōu)勢(shì)，而其出錯(cuò)率高的缺陷又可以通過(guò)ECC(Error Correction Code)糾錯(cuò)來(lái)有效解決，壽命短的問(wèn)題也可以通過(guò)磨損均衡來(lái)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(duì)MLC flash，但是，本方法對(duì)SLC flash也能夠處理。

　　1．2 NAND flash結(jié)構(gòu)

　　不同廠商不同型號(hào)的flash的結(jié)構(gòu)都大同小異，圖l所示是三星K9G8G08UOA型號(hào)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(yè)(page)，每個(gè)頁(yè)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(xiě)(Program)操作和擦除(Erase)操作。其中讀操作和寫(xiě)操作的基本單位是頁(yè)，擦除操作的基本單位是塊。對(duì)flash的寫(xiě)入操作只能在尚未寫(xiě)入的空閑頁(yè)上進(jìn)行，并且只能按照從低地址頁(yè)到高地址頁(yè)的順序進(jìn)行操作，而不能寫(xiě)了高地址頁(yè)之后，再寫(xiě)低地址頁(yè)。如果想要修改某個(gè)已經(jīng)寫(xiě)過(guò)的頁(yè)，只能先對(duì)整個(gè)物理塊進(jìn)行擦除，然后才能正確寫(xiě)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(wèn)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(xiě)的基本單位是頁(yè)，擦除的基本單位是塊，故在同一個(gè)頁(yè)的兩次寫(xiě)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(yè)的數(shù)據(jù)丟失，就得先把這些頁(yè)中的數(shù)據(jù)暫存到其他地方備份起來(lái)，之后再和新數(shù)據(jù)一起重新寫(xiě)回到該塊中，因此，整個(gè)過(guò)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(duì)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(duì)應(yīng)關(guān)系是變動(dòng)的。

　　2．2 兩級(jí)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(xiě)操作的速度，本文提出了采用兩級(jí)地址映射的機(jī)制，也就是在塊級(jí)別邏輯物理地址映射的基礎(chǔ)上引入頁(yè)級(jí)別上的邏輯物理地址映射。一個(gè)邏輯塊對(duì)應(yīng)一個(gè)或兩個(gè)物理塊(稱(chēng)為母塊和子塊)，邏輯塊中的邏輯頁(yè)對(duì)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(xiě)時(shí)，首先應(yīng)將邏輯地址分為邏輯塊地址和邏輯頁(yè)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(yè)映射表，再根據(jù)邏輯頁(yè)地址映射到物理頁(yè)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。

　　當(dāng)需要更新數(shù)據(jù)時(shí)，寫(xiě)入的策略可分為兩種情況。首先，當(dāng)子塊仍然有空閑頁(yè)時(shí)，可直接將數(shù)據(jù)寫(xiě)到子塊中的下一個(gè)空閑頁(yè)中，并在spare區(qū)中記錄該塊對(duì)應(yīng)的子塊、該物理塊對(duì)應(yīng)的邏輯塊以及該物理頁(yè)對(duì)應(yīng)的邏輯頁(yè)，這樣，當(dāng)重新上電時(shí)，就可以建立邏輯物理映射關(guān)系。其次，當(dāng)母塊和子塊都寫(xiě)滿時(shí)，需要從空塊池中取出一個(gè)新的子塊。如果允許一個(gè)邏輯塊對(duì)應(yīng)三個(gè)或更多的物理塊，一方面管理起來(lái)比較復(fù)雜，另外也會(huì)造成空物理塊緊缺，因此，可以考慮將母塊或者子塊釋放掉，這樣，母塊或者子塊中原有的有效數(shù)據(jù)就需要搬移到新子塊中并將該母塊或子塊擦除再釋放到空塊池。出于速度的考慮，選擇母塊和子塊有效頁(yè)數(shù)較少的塊進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移并釋放。

　　實(shí)踐證明，這樣操作對(duì)寫(xiě)文件速度有明顯提高，特別是寫(xiě)小文件時(shí)，其速度提升可達(dá)9．2倍。

　　2．3 SPARE區(qū)和ECC校驗(yàn)

　　Flash中每個(gè)頁(yè)里的每個(gè)字節(jié)都是沒(méi)有任何差別的，物理上并沒(méi)有data區(qū)和spare區(qū)的區(qū)別，具體怎樣劃分data區(qū)和spare區(qū)，可由用戶自己決定。本設(shè)計(jì)采用的劃分辦法如圖4所示，這樣，每個(gè)扇區(qū)和一個(gè)spare區(qū)相連，故可方便連續(xù)讀出，并進(jìn)行校驗(yàn)糾錯(cuò)。

　　圖4中同時(shí)給出了Spare的區(qū)定義，其中兩字節(jié)用于標(biāo)識(shí)本物理塊所對(duì)應(yīng)的母塊；兩字節(jié)用于標(biāo)識(shí)本物理塊對(duì)應(yīng)的邏輯塊；一字節(jié)用于標(biāo)識(shí)本物理頁(yè)對(duì)應(yīng)的邏輯頁(yè)，一字節(jié)用于標(biāo)識(shí)連續(xù)邏輯頁(yè)數(shù)(表示上面連續(xù)邏輯頁(yè)的個(gè)數(shù)，此域可以輔助加快建立頁(yè)映射表的時(shí)間)，余下的10字節(jié)用于存放ECC，這樣可以達(dá)到4字節(jié)錯(cuò)誤的糾錯(cuò)能力。一般情況下，前面的4個(gè)字節(jié)是建立塊地址映射表的關(guān)鍵，其次，后面兩個(gè)字節(jié)則是建立頁(yè)地址映射表的關(guān)鍵。

　　2．4 頁(yè)映射表建立時(shí)間的優(yōu)化

　　因?yàn)榻㈨?yè)映射表需要讀取母塊和子塊中各物理頁(yè)spare區(qū)以判定該物理頁(yè)對(duì)應(yīng)的邏輯頁(yè)，而每個(gè)物理頁(yè)的讀取都要花費(fèi)大約50μs的時(shí)間。因此，如果對(duì)每個(gè)物理頁(yè)都讀取，建立頁(yè)映射表就會(huì)比較費(fèi)時(shí)。為了加快建立頁(yè)映射表的速度，一般只希望能讀取一個(gè)物理頁(yè)，而免于讀取其他若干頁(yè)，以便加快建表速度。因?yàn)楹芏鄷r(shí)候都是連續(xù)寫(xiě)，而連續(xù)的幾個(gè)物理頁(yè)在邏輯上也是連續(xù)的，因此可以考慮在spare區(qū)加入連續(xù)邏輯頁(yè)號(hào)，這樣，重新建表時(shí)，就可根據(jù)連續(xù)頁(yè)號(hào)知道連續(xù)幾個(gè)物理頁(yè)對(duì)應(yīng)的邏輯頁(yè)，從而加快建表的速度。對(duì)于最佳情形，有時(shí)只需要讀一個(gè)頁(yè)就可以建立整個(gè)邏輯塊的頁(yè)映射表。圖5所示是一種加快建表的示意圖。

　　2．5 分區(qū)

　　不同的flash，塊數(shù)是不同的，其塊映射表需要的RAM空間也不一樣。對(duì)于當(dāng)前主流flash，有的具有8192個(gè)塊，如果對(duì)整個(gè)flash建表，需要的RAM空間將多達(dá)32KB，這樣芯片成本就會(huì)比較高。一個(gè)可行的解決辦法是對(duì)flash分區(qū)，比如1024個(gè)塊為一個(gè)分區(qū)，每次只對(duì)一個(gè)分區(qū)進(jìn)行建表，這樣，RAM空間就可以降低到4KB。這樣，隨著將來(lái)flash容量的增加，塊數(shù)即使再多，也能夠用同樣的方法處理，而不用增大RAM。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　本文介紹了一種針對(duì)MLC flash的優(yōu)異管理算法及軟件實(shí)現(xiàn)方法，并且已在SD卡上大規(guī)模商用。該算法只需簡(jiǎn)單配置就能支持市場(chǎng)上的各種flash，而且也兼容各種SD設(shè)備。同時(shí)RAM空間需求小，成本低，壽命長(zhǎng)，兼容性好，擴(kuò)展性強(qiáng)，flash空間利用率高，具有很高的商用價(jià)值。