《電子技術(shù)應(yīng)用》
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NAND Flash存儲器管理算法的設(shè)計及實現(xiàn)
魏韜 林平分 孫麗華 魏寧
摘要: 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。
關(guān)鍵詞: Flash NAND 存儲器
Abstract:
Key words :

  O 引言

  Flash" title="Flash">Flash是一種非易失存儲器" title="存儲器">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" title="NAND">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,。

NAND flash結(jié)構(gòu)

  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,。

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,。

數(shù)據(jù)更新示意圖

  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(dá)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,。

 

本設(shè)計采用的劃分辦法

  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(dá)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,。

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(dá)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,。

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