O 引言
    Flash是一種存儲(chǔ)器" title="非易失存儲(chǔ)器">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,、SD卡、SSD硬盤等各種移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備" title="存儲(chǔ)設(shè)備">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" title="地址映射">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(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(shì)，而其出錯(cuò)率高的缺陷又可以通過ECC(Error Correction Code)糾錯(cuò)來有效解決,，壽命短的問題也可以通過磨損均衡來彌補(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(page),，每個(gè)頁包含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(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(duì)flash的寫入操作只能在尚未寫入的空閑頁上進(jìn)行,，并且只能按照從低地址頁到高地址頁的順序進(jìn)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(gè)已經(jīng)寫過的頁，只能先對(duì)整個(gè)物理塊進(jìn)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(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讀寫的基本單位是頁，擦除的基本單位是塊,，故在同一個(gè)頁的兩次寫之間,，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(gè)過程會(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(稱為母塊和子塊)，邏輯塊中的邏輯頁對(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" title="地址解析">地址解析示意圖,。

    在讀寫時(shí)，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(shí)，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(shí)，可直接將數(shù)據(jù)寫到子塊中的下一個(gè)空閑頁中,，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對(duì)應(yīng)的邏輯頁，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)寫文件速度有明顯提高,，特別是寫小文件時(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)頁里的每個(gè)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(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)本物理頁對(duì)應(yīng)的邏輯頁,，一字節(jié)用于標(biāo)識(shí)連續(xù)邏輯頁數(shù)(表示上面連續(xù)邏輯頁的個(gè)數(shù),，此域可以輔助加快建立頁映射表的時(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)則是建立頁地址映射表的關(guān)鍵。
2．4 頁映射表建立時(shí)間的優(yōu)化
    因?yàn)榻㈨撚成浔硇枰x取母塊和子塊中各物理頁spare區(qū)以判定該物理頁對(duì)應(yīng)的邏輯頁,，而每個(gè)物理頁的讀取都要花費(fèi)大約50μs的時(shí)間,。因此，如果對(duì)每個(gè)物理頁都讀取,，建立頁映射表就會(huì)比較費(fèi)時(shí),。為了加快建立頁映射表的速度，一般只希望能讀取一個(gè)物理頁,，而免于讀取其他若干頁,，以便加快建表速度。因?yàn)楹芏鄷r(shí)候都是連續(xù)寫,，而連續(xù)的幾個(gè)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(hào),，這樣,，重新建表時(shí)，就可根據(jù)連續(xù)頁號(hào)知道連續(xù)幾個(gè)物理頁對(duì)應(yīng)的邏輯頁,，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)頁就可以建立整個(gè)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(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(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。