O 引言

　　Flash是一種非易失存儲器，它在掉電條件下仍然能夠長期保持?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,，近幾年在U盤、SD卡,、SSD硬盤等各種移動存儲設(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)計方法,。(本方法也同樣適用于其他存儲設(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)化讀寫的方法等。

　　1 Flash簡介

　　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)點是面積小,、成本低：缺點是出錯率高,，壽命短(SLC的每個block能夠擦寫100，000次,，而MLC能夠擦寫10,，000次)。由于MLC flash具有成本低的優(yōu)勢,，而其出錯率高的缺陷又可以通過ECC(Error Correction Code)糾錯來有效解決,，壽命短的問題也可以通過磨損均衡來彌補，因此,，MLC flash的應(yīng)用更加廣泛,，但在一些高端應(yīng)用仍然會使SLCflash。本設(shè)計就是針對MLC flash,，但是,，本方法對SLC flash也能夠處理。

　　1.2 NAND flash結(jié)構(gòu)

　　不同廠商不同型號的flash的結(jié)構(gòu)都大同小異，圖l所示是三星K9G8G08UOA型號的flash結(jié)構(gòu)圖,，圖l中的1個flash芯片包含4096個物理塊(block),，每個物理塊含有128個頁(page)，每個頁包含2112(2048+64)字節(jié)其中多出的64字節(jié)用于存放糾錯碼及其他信息用,。

　　1.3 NAND flash的特點

　　Flash可支持讀(Read)操作,、寫(Program)操作和擦除(Erase)操作。其中讀操作和寫操作的基本單位是頁,，擦除操作的基本單位是塊,。對flash的寫入操作只能在尚未寫入的空閑頁上進行，并且只能按照從低地址頁到高地址頁的順序進行操作,，而不能寫了高地址頁之后,，再寫低地址頁。如果想要修改某個已經(jīng)寫過的頁,，只能先對整個物理塊進行擦除,，然后才能正確寫入。

　　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,，因此,，如果不采用邏輯物理地址映射，將會存在兩個問題：其一是Flash中難免會有壞塊,，因而某些地址空間將是不可用的;其二,，F(xiàn)lash讀寫的基本單位是頁，擦除的基本單位是塊,，故在同一個頁的兩次寫之間,，就必須要進行一次擦除操作，而擦除會擦除掉整個塊,，這樣,，為了避免其他頁的數(shù)據(jù)丟失，就得先把這些頁中的數(shù)據(jù)暫存到其他地方備份起來,，之后再和新數(shù)據(jù)一起重新寫回到該塊中,，因此，整個過程會比較復(fù)雜,，而且會造成速度降低,。這樣,，一般都需要對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應(yīng)關(guān)系是變動的。

　　2.2 兩級地址映射

　　為了減少更新數(shù)據(jù)時原有數(shù)據(jù)的搬移,，提高寫操作的速度,，本文提出了采用兩級地址映射的機制，也就是在塊級別邏輯物理地址映射的基礎(chǔ)上引入頁級別上的邏輯物理地址映射。一個邏輯塊對應(yīng)一個或兩個物理塊(稱為母塊和子塊),，邏輯塊中的邏輯頁對應(yīng)一或兩個物理塊中的某個面,。圖2所示是其地址解析示意圖。

　　在讀寫時,，首先應(yīng)將邏輯地址分為邏輯塊地址和邏輯頁地址,，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)此建立頁映射表,，再根據(jù)邏輯頁地址映射到物理頁地址，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，寫入的策略可分為兩種情況,。首先,，當(dāng)子塊仍然有空閑頁時，可直接將數(shù)據(jù)寫到子塊中的下一個空閑頁中,，并在spare區(qū)中記錄該塊對應(yīng)的子塊,、該物理塊對應(yīng)的邏輯塊以及該物理頁對應(yīng)的邏輯頁，這樣,，當(dāng)重新上電時,，就可以建立邏輯物理映射關(guān)系。其次,，當(dāng)母塊和子塊都寫滿時,，需要從空塊池中取出一個新的子塊。如果允許一個邏輯塊對應(yīng)三個或更多的物理塊,，一方面管理起來比較復(fù)雜,，另外也會造成空物理塊緊缺，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數(shù)較少的塊進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移并釋放。

　　實踐證明,，這樣操作對寫文件速度有明顯提高,，特別是寫小文件時，其速度提升可達9.2倍,。

　　2.3 SPARE區(qū)和ECC校驗

　　Flash中每個頁里的每個字節(jié)都是沒有任何差別的,，物理上并沒有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)計采用的劃分辦法如圖4所示,，這樣，每個扇區(qū)和一個spare區(qū)相連,，故可方便連續(xù)讀出,，并進行校驗糾錯。

　　圖4中同時給出了Spare的區(qū)定義,，其中兩字節(jié)用于標(biāo)識本物理塊所對應(yīng)的母塊;兩字節(jié)用于標(biāo)識本物理塊對應(yīng)的邏輯塊;一字節(jié)用于標(biāo)識本物理頁對應(yīng)的邏輯頁,，一字節(jié)用于標(biāo)識連續(xù)邏輯頁數(shù)(表示上面連續(xù)邏輯頁的個數(shù)，此域可以輔助加快建立頁映射表的時間),，余下的10字節(jié)用于存放ECC,，這樣可以達到4字節(jié)錯誤的糾錯能力。一般情況下,，前面的4個字節(jié)是建立塊地址映射表的關(guān)鍵,，其次，后面兩個字節(jié)則是建立頁地址映射表的關(guān)鍵,。

　　2.4 頁映射表建立時間的優(yōu)化

　　因為建立頁映射表需要讀取母塊和子塊中各物理頁spare區(qū)以判定該物理頁對應(yīng)的邏輯頁,，而每個物理頁的讀取都要花費大約50μs的時間。因此,，如果對每個物理頁都讀取,，建立頁映射表就會比較費時。為了加快建立頁映射表的速度,，一般只希望能讀取一個物理頁,，而免于讀取其他若干頁，以便加快建表速度,。因為很多時候都是連續(xù)寫,，而連續(xù)的幾個物理頁在邏輯上也是連續(xù)的，因此可以考慮在spare區(qū)加入連續(xù)邏輯頁號,，這樣,，重新建表時，就可根據(jù)連續(xù)頁號知道連續(xù)幾個物理頁對應(yīng)的邏輯頁,，從而加快建表的速度,。對于最佳情形，有時只需要讀一個頁就可以建立整個邏輯塊的頁映射表,。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,。對于當(dāng)前主流flash，有的具有8192個塊,，如果對整個flash建表,，需要的RAM空間將多達32KB，這樣芯片成本就會比較高,。一個可行的解決辦法是對flash分區(qū),，比如1024個塊為一個分區(qū)，每次只對一個分區(qū)進行建表,，這樣,，RAM空間就可以降低到4KB。這樣,，隨著將來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

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