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。

（3）屬性域。屬性域占據(jù)數(shù)據(jù)區(qū)的512B－527B字節(jié)區(qū)域，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

邏輯塊索引：占據(jù)扇區(qū)的512B－515B區(qū)域，記錄扇區(qū)在物理塊的邏輯塊號(hào)，如果沒有使用，則值可能為0X00000000（擦除后方可使用）和0XFFFFFFFF(不需擦除可直接使用)。

有效標(biāo)志：僅使用數(shù)據(jù)區(qū)的516B區(qū)域，其值為‘V’時(shí)為有效，其他無效。系統(tǒng)第一次格式化閃存時(shí)，置該字節(jié)的值為‘V’。

保留區(qū)域：數(shù)據(jù)區(qū)517B區(qū)域， 在第一次使用時(shí)根據(jù)該字節(jié)確定該塊是不有效；

使用標(biāo)志：占據(jù)數(shù)據(jù)區(qū)的518B區(qū)域，0XFF未被使用，不為0XF0表示被使用。

頁使用情況：占據(jù)數(shù)據(jù)區(qū)的519B－520B區(qū)域，每兩位（頁追加標(biāo)志域）表示一次追加,值0b11表示該頁數(shù)據(jù)域512字節(jié)未被追加，0b10表示追加未完成，0b00表示追加完成，這里可以保證在一頁數(shù)據(jù)區(qū)8次追加文件，在文件恢復(fù)時(shí)也會(huì)用到該域根據(jù)該域判斷是追加還是修改文件；

塊擦除次數(shù)：占據(jù)數(shù)據(jù)區(qū)的521B－524B，每次擦除塊時(shí)，該域值加1；剩余為保留區(qū)。

2.3 FFS的寫平衡的實(shí)現(xiàn)

寫平衡主要在文件讀寫過程中實(shí)現(xiàn)，讀扇區(qū)只是將上層提供的邏輯扇區(qū)轉(zhuǎn)化為物理扇區(qū)，直接讀出相應(yīng)數(shù)據(jù)，而寫扇區(qū)是整個(gè)FFS里重點(diǎn)，在這里實(shí)現(xiàn)了寫平衡，同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的壞塊管理，壞塊管理主要在第一次格式化時(shí)和擦除操作中完成。寫扇區(qū)有兩種情況，一種是扇區(qū)還未使用，可以直接寫；另一種是已寫過數(shù)據(jù)，此種情況又可分為兩種情況，追加數(shù)據(jù)和修改已寫數(shù)據(jù)，在扇區(qū)中追加數(shù)據(jù)時(shí)，追加次數(shù)高于8次時(shí)不可以直接寫，由于Nand Flash不支持‘0’變‘1’，需要分別對待追加和修改，追加和修改是通過程序來判斷的，對一個(gè)扇區(qū)進(jìn)行寫操作，將原扇區(qū)數(shù)據(jù)與要寫進(jìn)扇區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如里某個(gè)字節(jié)的位從0變?yōu)?,說明是修改數(shù)據(jù)，否則說明此次是追加文件。如里是修改數(shù)據(jù)，假設(shè)所修改數(shù)據(jù)對應(yīng)物理塊號(hào)為A，此時(shí)，先在整個(gè)物理盤中查找擦除次數(shù)最少的塊B，如果B塊有數(shù)據(jù)，則在空閑塊中查找擦除次數(shù)最少的物理塊C，將B塊數(shù)據(jù)復(fù)制到C塊并擦除B塊使其成為空閑塊，再將A塊中不需改變的扇區(qū)數(shù)據(jù)復(fù)制到對應(yīng)的B塊扇區(qū)中，最后將要修改的扇區(qū)數(shù)據(jù)寫到B塊相應(yīng)扇區(qū)，同時(shí)擦除A塊；如果B塊沒有數(shù)據(jù)，就將A塊中不需修改的扇區(qū)數(shù)據(jù)復(fù)制到對應(yīng)B 塊扇區(qū)中，同時(shí)將修改扇區(qū)數(shù)據(jù)寫入對應(yīng)B塊扇區(qū)中，在寫操作過程中同時(shí)對使用標(biāo)志域進(jìn)行相應(yīng)處理。如果是追加文件，首先在頁使用情況域里找一未使用的頁追加標(biāo)志域，使其為10,然后將數(shù)據(jù)寫入頁內(nèi)，再將頁追加標(biāo)志域置為00，如果此次掉電，則系統(tǒng)加載時(shí)根據(jù)該域恢復(fù)文件。寫扇區(qū)對應(yīng)程序流程圖見圖2、圖3。

3 結(jié)束語

本文分析了Nand Flash的特性及ZLG/FFS存在的不足，并根據(jù)這些特性研究與設(shè)計(jì)一個(gè)FFS，該FFS實(shí)現(xiàn)了Nand Flash寫平衡與壞塊管理，解決了在不可靠的存儲(chǔ)介質(zhì)上實(shí)現(xiàn)可靠數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的問題，尤其是在追加文件時(shí)，由于每512字節(jié)可以追加8次，根據(jù)需要還可增加追加次數(shù)，從而從整體上盡可能保證在追加文件時(shí)不需要擦除閃存塊。該軟件已應(yīng)用于水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)中的Nand Flash管理，取得了良好的效果，提高了Nand Flash的使用壽命。本文作者創(chuàng)新觀點(diǎn)：在Nand Flash的每頁后16字節(jié)中增加了一個(gè)頁使用情況標(biāo)志域來記錄追加完成狀態(tài)及追加次數(shù)記錄，從整體上盡量保證在追加文件時(shí)不需擦除閃存塊，從而提高了 Nand Flash的使用壽命。

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