基于Nand+Flash存儲(chǔ)管理在DSP系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)

Nand Flash作為一種安全、快速的存儲(chǔ)體，因其具有體積小、容量大、成本低、掉電數(shù) 據(jù)不丟失等一系列優(yōu)點(diǎn)，已逐步取代其它半導(dǎo)體存儲(chǔ)元件，成為嵌入式系統(tǒng)中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的主要載體。盡管Nand Flash的每個(gè)單元塊相互獨(dú)立，且每塊一般可擦除次數(shù)高達(dá)10～100萬(wàn)次，但是隨著擦寫(xiě)次數(shù)增加，會(huì)有一些單元塊逐漸變得不穩(wěn)定或失效從而形成永久性壞塊。因此， 要避免頻繁地對(duì)同一塊進(jìn)行操作，盡量達(dá)到擦寫(xiě)次數(shù)均衡；同時(shí)，由于擦除操作耗時(shí)較多，會(huì)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性造成影響。為此，本文介紹了一種基于磨損均衡思想的Nand Flash存儲(chǔ)管理方式，并深入討論了該方式在Ti公司的DSP TMS320F28x中的程序?qū)崿F(xiàn)。

1 器件介紹

本文中采用的Nand Flash芯片K9F6408U0C是一塊擁有8M(8,388,608)×8bit存儲(chǔ)空間及 256K(262，144)×8bit輔用存儲(chǔ)空間的存儲(chǔ)芯片，電源電壓為1.8V－3.3V。芯片內(nèi)部按塊和頁(yè)的方式來(lái)組織的，如圖1所示，共分成1024個(gè)塊,每塊包含16個(gè)頁(yè),每頁(yè)內(nèi)有528個(gè)字節(jié)。 F28x系列DSP是美國(guó)TI公司最新推出的C2000平臺(tái)上的定點(diǎn)DSP芯片。

圖1 K9F6408UOC內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

F28x系列芯片具有 低成本、低功耗和高效能等特點(diǎn)，特別適用于有大量數(shù)據(jù)處理的測(cè)控場(chǎng)合。

2 Flash的特點(diǎn)及存儲(chǔ)管理的作用

由K9F6408U0C的基本結(jié)構(gòu)可以知道，它的基本單位有塊、頁(yè)、字節(jié)等。 Nand Flash 芯片具有如下特點(diǎn)：

Flash寫(xiě)：通過(guò)寫(xiě)命令將每個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)單元中的1變?yōu)?；寫(xiě)操作不能把0變?yōu)?。

Flash擦除：擦除命令是Flash中存儲(chǔ)單元0變?yōu)?的唯一途徑，一旦對(duì)某一塊中的某一位寫(xiě)0，要再改變成1，則必須執(zhí)行擦除命令。

通常，對(duì)于容量較小的Flash塊的操作過(guò)程是：先把整個(gè)塊的數(shù)據(jù)讀到RAM中，在RAM中修改數(shù)據(jù)內(nèi)容，再擦除整個(gè)塊，最后寫(xiě)入修改后的數(shù)據(jù)。顯然，這樣頻繁復(fù)雜的讀-擦除- 寫(xiě)操作，對(duì)于Flash的使用壽命以及系統(tǒng)性能是很不利的，而且微處理器中通常RAM大小有限。 因此在硬件條件苛刻的嵌入式系統(tǒng)中就迫切需要一種合理的存儲(chǔ)管理方式以便有效地均衡 Flash各個(gè)存儲(chǔ)塊的擦寫(xiě)次數(shù)，提高Flash的使用壽命，從而提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性。

3 存儲(chǔ)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1建立壞塊管理表

Nand Flash由于生產(chǎn)工藝的問(wèn)題，不可避免的會(huì)存在一些壞塊，這些壞塊在芯片出廠(chǎng)前 都已被標(biāo)識(shí)好。根據(jù)Nand Flash數(shù)據(jù)手冊(cè)中的介紹，在每一塊的第一頁(yè)與第二頁(yè)的Spare area 的第六個(gè)字節(jié)（也就是該頁(yè)的第517字節(jié)）即是出廠(chǎng)時(shí)的壞塊標(biāo)識(shí)位，如果某塊的該兩頁(yè)的第517字節(jié)內(nèi)容不同時(shí)為0xFF，則代表該塊為廠(chǎng)家標(biāo)識(shí)壞塊。這種壞塊的檢測(cè)必須在對(duì)芯 片進(jìn)行擦除前進(jìn)行，因?yàn)閺S(chǎng)家壞塊有可能也能夠被進(jìn)行擦除操作，如使用這種塊將對(duì)數(shù)據(jù)安全留下一定的隱患。

Nand Flash在出廠(chǎng)前會(huì)保證每塊芯片的第一塊與第二塊是完好的，所以在本文的設(shè)計(jì)中，采用的方式是將壞塊管理表存放在第一塊的第一頁(yè)的前128個(gè)字節(jié)中，每個(gè)字節(jié)的一位代表芯片的一塊，如該位為1剛表明該塊是好的，為0則表示對(duì)應(yīng)塊為壞塊。壞塊管理表的建立是必需的，而且最好是在芯片進(jìn)行其它擦寫(xiě)操作前進(jìn)行。

3.2 Flash存儲(chǔ)空間管理

在本文設(shè)計(jì)的Flash空間管理中，F(xiàn)lash的存儲(chǔ)塊被分為空閑塊（Free，即空白沒(méi)寫(xiě)數(shù)據(jù)的好塊），有效塊（Valid，即存有有效數(shù)據(jù)的塊，不能被擦除），無(wú)效塊（Invalid，即數(shù) 據(jù)已無(wú)效或是寫(xiě)入錯(cuò)誤塊，可被擦除），保留塊（Reserve，用于替換新產(chǎn)生的壞塊），其它的則為壞塊，所有存儲(chǔ)塊的管理均采用單向鏈表方式進(jìn)行管理。

在大部分的Flash存儲(chǔ)空間管理系統(tǒng)中可能并不存在保留塊，在本系統(tǒng)中增加保留塊的作用主要是，當(dāng)部分存儲(chǔ)塊因?yàn)榉磸?fù)擦寫(xiě)成為新的壞塊時(shí)，可以用保留塊取而代之成為新的空閑塊，從而使得留給用戶(hù)的可用存儲(chǔ)塊總數(shù)在一定時(shí)期內(nèi)是一定的，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是可以增強(qiáng)數(shù)據(jù)的安全性，延長(zhǎng)整個(gè)Flash的使用周期，缺點(diǎn)是用戶(hù)可用的存儲(chǔ)空間相對(duì)減少，不過(guò)在Flash芯片技術(shù)迅速發(fā)展的今天，大容量的Flash芯片價(jià)格已經(jīng)十分低廉，數(shù)據(jù)安全才是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)最值得重視的。

在本文的設(shè)計(jì)中，統(tǒng)一規(guī)定Flash每一塊的第一頁(yè)的Spare Area為數(shù)據(jù)塊狀態(tài)信息標(biāo)記區(qū)，具體規(guī)定如表2所示：

根據(jù)上表的設(shè)計(jì)，塊擦除次數(shù)最大為224 ? 1 = 16777215 ，遠(yuǎn)大于Flash的最大擦除次數(shù)10到100萬(wàn)次；塊狀態(tài)標(biāo)記字節(jié)，0xFF代表其為空閑塊，0xFD代表其為保留塊，0xFC代表其為有效塊，0xF0代表其為無(wú)效塊，0x00則表明當(dāng)前塊為壞塊，在壞塊管理表中其對(duì)應(yīng)位為0。