延长Flash存储嚣使用寿命的研究

引 言
    随着嵌入式系统在数码相机、数字摄像机、移动电话、MP3音乐播放器等移动设备中越来越广泛的应用，Flash存储器已经逐步取代其他半导体存储元件，成为嵌入式系统中主要数据和程序载体。Flash存储器又称闪存，是一种可在线多次擦除的非易失性存储器NVM(Non-Volatile Memo-ry)，即掉电后数据不会丢失。Flash存储器还具有体积小、功耗低、抗振性强等优点，是嵌入式系统的首选存储设备。
    世面上常用的Flash存储设备有两种：NOR Flash和NAND Flash。根据存储容量，NOR一般为1～16 MB，而NAND为8～512 MB，现在的大容量NAND已经可以达到4 GB；读取速度NOR较NAND快，写入速度NOR比NAND慢一些；擦除速度NOR需要2～5 s，而NAND仅仅需要2～5 ms；NAND的价格比NOR低很多。由于种种原因，较常用的是NAND Flash。但是由于NANDFlash的工艺不能保证NAND的存储阵列(memory ar-ray)在其生命周期中保持性能的可靠，因此，在NAND的生产中及使用过程中会产生坏块。其表现是：当编程／擦除这个块时，不能将某些位拉高，这会造成页编程(page program)和块擦除(block erase)操作时的错误；相应地，反映到状态寄存器(status register)的相应位。
    总体上，坏块可以分为两大类：第一类为固有坏块，这是生产过程中产生的坏块，一般芯片原厂都会在出厂时将坏块第一个页的扩展区域(Spare Area)的第6个字节标记为不等于0xff的值；第二类为使用坏块，这是在NANDFlash使用过程中，如果块擦除或者页编程错误，就可以简单地将这个块作为坏块来处理，这个时候需要把坏块标记起来。为了和固有坏块信息保持一致，将新发现坏块的第一个页的扩展区域的第6个字节标记为非0xff的值。由于Flash写入数据的时候是先擦除块，这样这个块里面的数据将全部变成0xff，写入1时，该位不变；写入0时，该位由1变为0。如果将扩展区域的第6个字节标记为非0xff之后，将不可能再恢复为0xff，除非格式化有可能恢复。
    我们已经了解到，坏了的块是无法擦除和写人数据的，而在嵌入式系统中，启动的第一步就是将Flash里面的前4KB数据自动复制到SRAM里面去运行。如果仅仅Flash的第一块坏了，而导致引导程序无法下载进去，那么这个块不是不能读取数据，而是读不出我们想再要放入的数据，这样这个Flash设备就报废了。本文就这个问题作了深入的讨论，用一种基于Flash的地址重映射的方法解决这个问题。本文采用三星(Samscrag)公司的S3C2440 ARM处理器和NAND Flash存储设备K9F1208UOM讨论地址重映射的思想。

1 S3C2440使用NAND Flash引导系统的方法
    自动启动模式顺序：
    ①复位完成；
    ②当设置为自动启动模式，NAND Flash的开始4 KB被拷贝到Steppingstone的4 KB内部缓冲器；
    ③Steppingstone映射到nGCS0；
    ④CPU开始在Steppingstone执行启动代码程序。
    由系统引导顺序看出，如果Flash的第一块坏了，那么读出的数据不一定是引导程序，这样，系统将无法启动。而在这种情况下，就只能换一块完好的Flash了，这样就造成了很大的浪费。

2 Flash存储器的内部结构
    K9F1208UOM型Flash芯片内部存储器结构如图1所示。

    典型的NAND Flash由4 096块组成，每一个块包含32页，而每页是512+16=528字节。对于一个页，0～511字节为主存储区，即通常所说的用户可设定地址区，用来存储数据；512～527共16字节为扩展存储区，用来存储页的信息。扩展区的16字节用于描述主存储区的512字节。而对于坏块，也仅仅是将这16字节的第6字节设置为不等于0xff，来标示坏块。
    在NANDFlash使用过程中可能会出现这样的问题：产生坏块或坏页、由此引发的数据丢失、对一些扇区或块的过分磨损导致NANDFlash寿命缩短等。为了能更好地使用NAND Flash，在其损坏时使损失最小化，需要一种方法，使用相同的地址可以屏蔽掉坏了的块，而指针指向好块。即使第一块坏了，还可以使用O地址去操作一个好块。

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3 Flash存储器的读取方法
    K9F11208UOM型Flash芯片内部与外部引脚关系如图2所示。对于每一个块的访问，都需要一个固定的物理地址，基于这个固定的物理地址来操作Flash存储器，在对块进行操作的时候，一个块地址对应一个块，如果这个块坏了，那么这个地址的存在就没有意义了。就像ARM芯片在引导的时候，需要复制Flash的前4 KB的数据，这样需要固定块的数据。如果这个块坏了，系统将无法引导。

    下面通过地址重映射的方法，即在Flash固件里面加入一个地址重映射的区域来解决这一问题。

4 基于地址重映射的读取方法
    在实现地址重映射的时候，可以从块逻辑地址O开始，查看相对应的物理块。如果损坏，将地址从最后一个开始向前指，而相应的逻辑块被标示为坏块。例如图3，物理块0损坏，逻辑块地址0指向物理块4095的地址，而逻辑块地址4095被标示为坏块。可以看出，即使块0掼坏，仍然可以通过逻辑地址O进行操作，其内部的变化，并不会影响外部的使用。唯一不同的是，Flash的整体空间变小了。不过即使这样，也不会像以前那样，第一块坏了，就去换一个Flash。

5 性能分析
    很明显，在数据读取的时候增加了一步地址重映射的计算。这样使整体性能会略微下降。下面分析一下加入地址重映射之后的性能影响(这里仅仅分析数据的读取性能，因为对Flash操作最多的是数据的读取，用户使用时也是读取最多)。
    地址重映射是根据输入的地址计算操作地址的。从图4可以看出，地址重映射的计算是加在地址A25输入之后的，因其在内部操作，延时相对很小。而这个地址重映射在整个块操作之中只操作一次，且其使用时间很短，故在这里可以忽略不计，其对数据的读取操作基本没有影响。

    加入地址重映射之后，坏块全部集中到了整个Flash设备的最后。也就是说，即使这个Flash中有1024个块坏了，仍然可以当其为一个32 MB的Flash来使用，即其有效块为第0～1 023块；不像前面所描述的那样，就算只有第一个块坏了，这个Flash也就报废了。经过加入地址重映射之后的Flash，即使就剩下一块没有损坏的块了，这个Flash仍然可以作为引导系统使用。

6 结 论
    通过在Flash内部加入地址重映射机制，对于使用Flash将会有很大的方便，并且，即使第一个块坏了，仍可以继续使用这个Flash，而无需厂家保证第一个块是好的。这样大大延长了Flash的使用寿命，仅仅在坏块达到一定数量的时候才需要换一个。