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研究熱點。就目前已經(jīng)實現(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)動程序，雖然其很好的實現(xiàn)了均衡管理，但在追加文件內(nèi)容時需要擦除整塊，這與提高Nand Flash的使用壽命而盡量少擦除閃存塊觀點是相違背的，為此本文設(shè)計了一個新的FFS，其最突出的特點是盡可能保證在追加文件內(nèi)容時不擦除閃存塊，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閃存上。為此需設(shè)計一個文件系統(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)計一個改進(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)提供一個與底層具體硬件操作無關(guān)的通用驅(qū)動接口，可以使上層文件系統(tǒng)更方便的訪問閃存。

2 通用驅(qū)動程序FFS的設(shè)計

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)；需要一個擦除次數(shù)表來記錄每個物理塊的擦除次數(shù)；需要一個物理塊使用狀況表來表示每個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，因此需要一個邏輯塊與物理塊之間的映射表；最后還需一個指向硬件信息的結(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、擦除閃存和檢驗寫入扇區(qū)數(shù)據(jù)函數(shù)。

2.2 FFS物理盤存儲結(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。