NAND Flash存儲器管理算法的設(shè)計及實現(xiàn)

1、nand flash存儲器管理算法的設(shè)計及實現(xiàn)flash是一種非易失存儲器，它在掉電條件下仍然能夠長久保持?jǐn)?shù)據(jù)。因為它具有容量大、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)計辦法。(本辦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，包括規(guī)律物理地址映射以及spare區(qū)的定義，另外，還有雙緩沖器優(yōu)化讀寫的辦法等。1 flash簡介11 slc flash與mlc flash的比較從架構(gòu)上，flash可以分為slc(single-leve

2、l-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)。因為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)用越發(fā)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，本辦法對slc flash也能夠處理。12

3、 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。13 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舉行，并且只能根據(jù)從低地址頁到高地址頁的挨次舉行操作，而不能寫

4、了高地址頁之后，再寫低地址頁。假如想要修改某個已經(jīng)寫過的頁，只能先對囫圇物理塊舉行擦除，然后才干正確寫入。2 flash管理算法21 規(guī)律物理地址映射因為flash具有上述特點，因此，假如不采納規(guī)律物理地址映射，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行用的；其二，flash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，就必需要舉行一次擦除操作，而擦除會擦除掉囫圇塊，這樣，為了避開其他頁的數(shù)據(jù)走失，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，囫圇過程會比較復(fù)雜，而且會造成速度降低。這樣，普通都需要對

5、flash加入規(guī)律物理地址映射管理算法，該算法的規(guī)律地址和物理地址的對應(yīng)關(guān)系是變動的。22 兩級地址映射為了削減更新數(shù)據(jù)時原有數(shù)據(jù)的搬移，提高寫操作的速度，本文提出了采納兩級地址映射的機(jī)制，也就是在塊級別規(guī)律物理地址映射的基礎(chǔ)上引入頁級別上的規(guī)律物理地址映射。一個規(guī)律塊對應(yīng)一個或兩個物理塊(稱為母塊和子塊)，規(guī)律塊中的規(guī)律頁對應(yīng)一或兩個物理塊中的某個面。圖2所示是其地址解析暗示圖。在讀寫時，首先應(yīng)將規(guī)律地址分為規(guī)律塊地址和規(guī)律頁地址，再按照塊映射表將規(guī)律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，再按照規(guī)律頁地址映射到物理頁地址，從而完成從規(guī)律地址到物理地址

6、的轉(zhuǎn)換。其數(shù)據(jù)更新暗示圖3所示。當(dāng)需要更新數(shù)據(jù)時，寫入的策略可分為兩種狀況。首先，當(dāng)子塊仍然有空閑頁時，可挺直將數(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)的規(guī)律塊以及該物理頁對應(yīng)的規(guī)律頁，這樣，當(dāng)重新上電時，就可以建立規(guī)律物理映射關(guān)系。第二，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。假如允許一個規(guī)律塊對應(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，挑選母塊和子塊有效頁數(shù)較少的塊

7、舉行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移并釋放。實踐證實，這樣操作對寫文件速度有顯然提高，特殊是寫小文件時，其速度提升可達(dá)92倍。23 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)分，詳細(xì)怎樣劃分data區(qū)和spare區(qū)，可由用戶自己打算。本設(shè)計采納的劃分方法4所示，這樣，每個扇區(qū)和一個spare區(qū)相連，故可便利延續(xù)讀出，并舉行校驗糾錯。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)的規(guī)律塊；一字節(jié)用于標(biāo)識本物理頁對應(yīng)的規(guī)律頁，一字節(jié)用于標(biāo)識延續(xù)規(guī)律頁數(shù)(表示上面延續(xù)規(guī)律頁的個數(shù)，此域可以輔助加快

8、建立頁映射表的時光)，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。普通狀況下，前面的4個字節(jié)是建立塊地址映射表的關(guān)鍵，第二，后面兩個字節(jié)則是建立頁地址映射表的關(guān)鍵。24 頁映射表建立時光的優(yōu)化由于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)的規(guī)律頁，而每個物理頁的讀取都要花費大約50s的時光。因此，假如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，普通只希翼能讀取一個物理頁，而免于讀取其他若干頁，以便加快建表速度。由于無數(shù)時候都是延續(xù)寫，而延續(xù)的幾個物理頁在規(guī)律上也是延續(xù)的，因此可以考慮在spare區(qū)加入延續(xù)規(guī)律頁號，這

9、樣，重新建表時，就可按照延續(xù)頁號知道延續(xù)幾個物理頁對應(yīng)的規(guī)律頁，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囫圇規(guī)律塊的頁映射表。圖5所示是一種加快建表的暗示圖。25 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，假如對囫圇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。一個可行的解決方法是對flash分區(qū)，比如1024個塊為一個分區(qū)，每次只對一個分區(qū)舉行建表，這樣，ram空間就可以降低到4kb。這樣，隨著未來flash容量的增強(qiáng)，塊數(shù)即使再多，也能夠用同樣的辦法處理，而不用增大ram。3 結(jié)束語本文介紹