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(guò)ECC(Error Correction Code)糾錯(cuò)來(lái)有效解決，壽命短的問(wèn)題也可以通過(guò)磨損均衡來(lái)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(yè)(page),，每個(gè)頁(yè)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(yè),，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(yè)上進(jìn)行,，并且只能按照從低地址頁(yè)到高地址頁(yè)的順序進(jìn)行操作,，而不能寫了高地址頁(yè)之后，再寫低地址頁(yè),。如果想要修改某個(gè)已經(jīng)寫過(guò)的頁(yè),，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(wèn)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(yè),，擦除的基本單位是塊，故在同一個(gè)頁(yè)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(yè)的數(shù)據(jù)丟失,，就得先把這些頁(yè)中的數(shù)據(jù)暫存到其他地方備份起來(lái)，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(guò)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(yè)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(yè)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(yè)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(yè)映射表，再根據(jù)邏輯頁(yè)地址映射到物理頁(yè)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(yè)時(shí),，可直接將數(shù)據(jù)寫到子塊中的下一個(gè)空閑頁(yè)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(yè)對(duì)應(yīng)的邏輯頁(yè),，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(lái)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(yè)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(yè)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(yè)對(duì)應(yīng)的邏輯頁(yè)，一字節(jié)用于標(biāo)識(shí)連續(xù)邏輯頁(yè)數(shù)(表示上面連續(xù)邏輯頁(yè)的個(gè)數(shù),，此域可以輔助加快建立頁(yè)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(yè)地址映射表的關(guān)鍵,。
2．4 頁(yè)映射表建立時(shí)間的優(yōu)化
    因?yàn)榻㈨?yè)映射表需要讀取母塊和子塊中各物理頁(yè)spare區(qū)以判定該物理頁(yè)對(duì)應(yīng)的邏輯頁(yè)，而每個(gè)物理頁(yè)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(yè)都讀取，建立頁(yè)映射表就會(huì)比較費(fèi)時(shí),。為了加快建立頁(yè)映射表的速度,，一般只希望能讀取一個(gè)物理頁(yè)，而免于讀取其他若干頁(yè),，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(yè)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(yè)號(hào),，這樣，重新建表時(shí),，就可根據(jù)連續(xù)頁(yè)號(hào)知道連續(xù)幾個(gè)物理頁(yè)對(duì)應(yīng)的邏輯頁(yè),，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(yè)就可以建立整個(gè)邏輯塊的頁(yè)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(lái)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(yǔ)
    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,。