1 引言

隨著U盤、數(shù)碼相機(jī)、mp3音樂(lè)播放器等移動(dòng)設(shè)備的廣泛應(yīng)用，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)器已經(jīng)逐步取代其它半導(dǎo)體存儲(chǔ)元件，成為嵌入式系統(tǒng)中主要數(shù)據(jù)和程序的載體。NAND FLASH是一種可在線多次擦除的非易失性存儲(chǔ)器，其結(jié)構(gòu)提供了極高的單元密度，可以達(dá)到數(shù)據(jù)的高密度存儲(chǔ)，并且寫入和擦除的速度也很快，所以 NAND FLASH是高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的理想［2］ 。本文主要從物理層，邏輯層和驅(qū)動(dòng)文件系統(tǒng)接口層三個(gè)方面具體分析NAND FLASH驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)。

2 物理層驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

NAND芯片的存儲(chǔ)空間是按照塊和頁(yè)的概念來(lái)組織的。現(xiàn)在市面上的NAND主要按大頁(yè)和小頁(yè)兩種存儲(chǔ)類型來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。本文采用的NAND型號(hào)是K9F1G08X0A，該NAND為大頁(yè)結(jié)構(gòu)，即芯片每塊（）有64頁(yè)（Page），每頁(yè)有2K 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)和64的冗余數(shù)據(jù)區(qū)（用來(lái)存放ECC校驗(yàn)碼）。2K 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)作為數(shù)據(jù)緩沖單元，用來(lái)實(shí)現(xiàn)I/0緩沖和存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳輸。芯片的存儲(chǔ)陣列組織如圖１所示。

NAND FLASH的物理層驅(qū)動(dòng)主要涉及到：NAND的初始化（ID以及相關(guān)屬性信息的讀取）、擦除（以塊作為單位），數(shù)據(jù)讀寫（以頁(yè)作為基本單位）。在這一系列的過(guò)程中，會(huì)涉及到NAND命令的發(fā)送以及NAND地址的發(fā)送。其中地址的發(fā)送會(huì)因NAND型號(hào)的不同而有所區(qū)別。一般來(lái)說(shuō)，小頁(yè)的NAND其地址周期通常為4個(gè)：1個(gè)列地址（Column Address）和3個(gè)行地址（Row Address），而對(duì)大頁(yè)的NAND來(lái)說(shuō)，列地址至少是2個(gè)周期，行地址會(huì)因芯片的容量大小而有所區(qū)別。本文采用的三星NAND芯片是２個(gè)列地址和２個(gè)行地址。對(duì)于NAND FLASH 來(lái)講，地址和命令只能在I/O［7:0］上并行傳遞。NAND FLASH 以頁(yè)為單位讀寫數(shù)據(jù)，而以塊為單位擦除數(shù)據(jù)。NAND的數(shù)據(jù)傳輸方式有基本的I/O傳輸方式，即在I/O［7:0］數(shù)據(jù)線上進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸。這種操作的缺點(diǎn)是系統(tǒng)CPU要頻繁參與控制數(shù)據(jù)的傳輸，會(huì)影響到數(shù)據(jù)傳輸速度。本文采用DMA傳輸方式，數(shù)據(jù)寬度是8/16/32bit，通過(guò)中斷的形式通知CPU數(shù)據(jù)的傳輸情況，DMA傳輸主要涉及DMA 控制器的配置以及通道的選擇。

3 邏輯層驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)以及壞塊管理機(jī)制

3.1 邏輯基本讀寫操作

驅(qū)動(dòng)邏輯層的主要任務(wù)是整合物理層的驅(qū)動(dòng)，并為文件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)層提供接口。在該層中主要涉及的操作包括NAND 的邏輯讀、寫以及擦除。邏輯層對(duì)NAND 的操作都是以塊（）作為單位來(lái)進(jìn)行操作的。因此須在邏輯層中構(gòu)建一個(gè)塊緩存（ Buffer）來(lái)臨時(shí)存放讀出/寫入NAND 的數(shù)據(jù)。這樣，NAND 的讀取機(jī)制分為兩種：頁(yè)讀取（Page ）和塊讀取（Block）。在頁(yè)讀取時(shí)，通過(guò)壞塊表進(jìn)行索引指定塊（Block）和頁(yè)（Page）來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀操作，而塊讀取時(shí)則是通過(guò)整合頁(yè)讀取時(shí)的緩存數(shù)據(jù)，把NAND 的數(shù)據(jù)以塊的形式進(jìn)行緩存（BlockBuffer）。NAND 的寫入機(jī)制不像其它的FLASH 器件，NAND 要求在寫入數(shù)據(jù)時(shí)，首先必須進(jìn)行數(shù)據(jù)的擦除。因此我們?cè)趯憯?shù)據(jù)的時(shí)候，先把將要被寫入的數(shù)據(jù)塊的內(nèi)容讀出到塊緩存，然后再把要寫入NAND 的數(shù)據(jù)以頁(yè)為單位的形式寫入塊緩存（Block Buffer）中的對(duì)應(yīng)地址。接著把以前存放數(shù)據(jù)的塊進(jìn)行擦除操作，最后把更新的數(shù)據(jù)寫到NAND 去。經(jīng)過(guò)這一系列的操作，實(shí)現(xiàn)了NAND 數(shù)據(jù)的邏輯寫入。圖2 說(shuō)明了一次寫操作的具體流程。

3.2 壞塊管理機(jī)制的原理及實(shí)現(xiàn)

NAND 由于采用了高密集的存儲(chǔ)單元，在使用過(guò)程中難免會(huì)損壞一些存儲(chǔ)單元，這就是我們所說(shuō)的壞塊［3］。數(shù)據(jù)操作時(shí)應(yīng)該避免對(duì)這些壞塊進(jìn)行操作，否則會(huì)引起數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤。

一般而言，NAND 的第0 塊常被用來(lái)作為程序的引導(dǎo)區(qū)，因此NAND 芯片廠商會(huì)保證第0塊不會(huì)成為壞區(qū)。而作為0 塊以后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)塊，當(dāng)壞塊產(chǎn)生時(shí)，系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)必須能夠用地址映射把這些壞塊屏蔽掉。芯片在出廠時(shí)，除保存壞塊信息的區(qū)域外，部分一律被擦除（值為0xFF），對(duì)壞塊的讀操作是允許的，但不推薦進(jìn)行寫和擦除操作，以免由于結(jié)構(gòu)方面的原因使鄰近的塊也失效。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須根據(jù)初始的壞塊信息識(shí)別出壞塊，并建立壞塊列表。進(jìn)行寫或擦除操作時(shí)將欲操作塊的地址與壞塊地址表的地址相比較，若是壞塊則應(yīng)跳過(guò)。芯片在使用過(guò)程中，可能有新壞塊的產(chǎn)生，為了系統(tǒng)的可靠性，必須對(duì)此情況加以考慮。

在數(shù)據(jù)寫入或塊擦除操作后，如果讀狀態(tài)寄存器出現(xiàn)錯(cuò)誤，則表示塊內(nèi)有壞頁(yè)存在，也即表明此塊已壞，因?yàn)閴K內(nèi)壞頁(yè)的存在并不影響頁(yè)的讀寫，這時(shí)可采用塊操作來(lái)把頁(yè)內(nèi)有用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到空閑塊內(nèi)，并把壞塊信息存入壞塊表中。因此，當(dāng)我們?cè)诟袷交疦AND的時(shí)候，要給出一定的區(qū)域用來(lái)存放壞塊索引表和壞塊表。考慮到一個(gè)塊（Block）的大小為128KB，而現(xiàn)在市面上的一般的NAND的容量大小為128MB-2GB不等。故分配10 個(gè)塊（Block）來(lái)進(jìn)行存儲(chǔ)。由于第0 塊為用戶不可見塊，實(shí)際要求為1-11 塊作為存儲(chǔ)空間。圖 3 表明了如何建立壞塊索引表和壞塊表的流程。

其中，在壞塊索引（BBTINDEX）中，整型變量bitIsBadBlock 中的每一個(gè)bit，標(biāo)記一個(gè)塊的狀態(tài)（1 表示壞塊，0 表示好塊），在ARM 體系中，可以標(biāo)記32 個(gè)塊。該區(qū)域被稱為一個(gè)索引區(qū)域。整型變量mPosInBBT 表示如果有壞塊，則表示索引區(qū)域在壞塊表中的偏移。

這樣通過(guò)定義一個(gè)索引tableTopPos 變量，來(lái)指示下一個(gè)壞塊在數(shù)組中的位置。同樣在壞塊表（BBTENTRY）中，整型變量mBadBlock 標(biāo)志塊是壞塊，而mReplaceBlock 變量則表示該壞塊在備份區(qū)中對(duì)應(yīng)的可以的好塊。這樣通過(guò)定義一個(gè)索引bakupTopPos 變量，來(lái)指示下一個(gè)壞塊在備用區(qū)的位置。通過(guò)結(jié)合壞塊索引和壞塊表，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的操作，而每次對(duì)NAND 操作完成后，及時(shí)地更新壞塊索引和壞塊表。

4 文件系統(tǒng)層的接口實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)在一般對(duì)NAND 支持的文件系統(tǒng)用的最多的是YAFFS 文件系統(tǒng)。本文由于基于的操作系統(tǒng)平臺(tái)是uC/OS，故采用了uC/FS 文件系統(tǒng)作為NAND 的文件驅(qū)動(dòng)接口，uC/FS 文件系統(tǒng)進(jìn)行的操作都是基于FAT 文件格式的。對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，所用對(duì)NAND 的操作，都是通過(guò)文件接口層來(lái)完成的。文件接口層對(duì)數(shù)據(jù)的操作都是以扇區(qū)（Sector）來(lái)進(jìn)行的。因此，文件接口層的主要任務(wù)是把從邏輯層的邏輯操作轉(zhuǎn)化為以扇區(qū)（Sector）為單位的操作，文件系統(tǒng)的接口函數(shù)主要通過(guò)一個(gè)結(jié)構(gòu)體 （FS___）來(lái)進(jìn)行描述［4］，該結(jié)構(gòu)體包含了驅(qū)動(dòng)設(shè)備的名稱以及4 個(gè)基本的驅(qū)動(dòng)設(shè)備掛接函數(shù)的函數(shù)指針。

在這幾個(gè)函數(shù)中，dev_status（）函數(shù)主要實(shí)現(xiàn)FAT 表狀態(tài)信息的讀取，并表明該NAND 設(shè)備可以使用；dev_（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)NAND 進(jìn)行文件系統(tǒng)塊數(shù)據(jù)的讀取；dev_write（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)NAND 進(jìn)行文件系統(tǒng)塊數(shù)據(jù)的寫入；dev_（）函數(shù)則主要實(shí)現(xiàn)文件操作的相關(guān)指令，包括文件格式化，數(shù)據(jù)cache 回寫等操作。通過(guò)這幾個(gè)文件接口函數(shù)，用戶可以實(shí)現(xiàn)對(duì)NAND 進(jìn)行的數(shù)據(jù)基本操作。

其中，mCache 數(shù)組大小為數(shù)據(jù)讀取時(shí)的存儲(chǔ)大小，由NAND 的文件系統(tǒng)遵循 標(biāo)準(zhǔn)決定，大小為512Byte；mTimes 表示被Cache 的塊（Sector）的命中次數(shù)，反映了數(shù)據(jù)塊的存取幾率；mSectorId 表示被Cache 塊（Sector）的序號(hào)，通過(guò)該序號(hào)來(lái)對(duì)Cache 的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行索引。

5 總結(jié)

對(duì)大容量的 NAND FLASH 進(jìn)行數(shù)據(jù)操作，壞塊處理機(jī)制是很重要的，通過(guò)建立壞塊處理表，避免了對(duì)無(wú)效塊進(jìn)行的操作，提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。另外，ECC 作為NAND 糾錯(cuò)機(jī)制，在NAND 驅(qū)動(dòng)中也廣泛運(yùn)用，本文的NAND 驅(qū)動(dòng)中也加入了ECC 機(jī)制，由于篇幅有限，不對(duì)其進(jìn)行深入探討。