目前市場(chǎng)上閃存芯片主要有兩類(lèi)，即NAND Flash（Not And Flash ROM）和NOR Flash（Not Or Flash ROM）。前者具有容量大、讀寫(xiě)速度快、芯片面積小、單元密度高、擦除速度快、成本低等特點(diǎn)，更適合于大批量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的嵌入式系統(tǒng)。如今Windows仍是桌面系統(tǒng)的主流，對(duì)FAT文件系統(tǒng)提供了天然的支持。然而就技術(shù)而言，F(xiàn)AT文件系統(tǒng)并不適合Flash，因?yàn)镕lash設(shè)備并不是塊設(shè)備［1］，為了不破壞兼容性，并在NAND型閃存中應(yīng)用FAT文件系統(tǒng)，國(guó)際上提出了閃存轉(zhuǎn)譯層FTL（Flash Translation Layer）的解決方案。

　　1 NAND Flash嵌入式存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　基于NAND Flash的存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首先要解決壞塊問(wèn)題。由于NAND Flash自身存在固有壞塊并在擦除和編程中又隨機(jī)產(chǎn)生壞塊，因此為了提高設(shè)備的可靠性應(yīng)該將這兩種操作分散在閃存不同的塊中，以避免對(duì)某塊的過(guò)度操作。

　　一般的基于NAND Flash嵌入式存儲(chǔ)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)分為三個(gè)層次：最底層是硬件操作接口，負(fù)責(zé)將主控芯片與Flash的控制管腳相連，這方面的固件主要實(shí)現(xiàn)對(duì)NAND Flash的物理操作；中間層是閃存轉(zhuǎn)譯層NFTL（NAND FTL），是封裝在Flash驅(qū)動(dòng)中的軟件模塊，其作用是將Flash模擬成與磁盤(pán)相類(lèi)似的塊設(shè)備，使對(duì)上層操作系統(tǒng)而言，NAND Flash就像普通磁盤(pán)一樣被訪問(wèn)。這一層主要是封裝一些特殊的復(fù)雜管理控制功能；最上面的層就是文件管理層，功能類(lèi)似于普通磁盤(pán)上的通用文件系統(tǒng)，向上層提供標(biāo)準(zhǔn)的文件操作接口。基于NAND Flash的嵌入式系統(tǒng)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

　　根據(jù)以上兩個(gè)方面，既要在驅(qū)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)壞塊管理，又要進(jìn)行塊模擬，所以可用的方法有兩種［2］：一是在上層文件系統(tǒng)中解決壞塊問(wèn)題，驅(qū)動(dòng)層只實(shí)現(xiàn)本身的功能，文件系統(tǒng)為驅(qū)動(dòng)層提供不變的接口，為上層應(yīng)用程序提供可靠透明的服務(wù)。這種方法較簡(jiǎn)單，開(kāi)發(fā)周期比較短，但只對(duì)特定應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)有很強(qiáng)的適應(yīng)性；第二種方法是在驅(qū)動(dòng)層的NFTL中解決壞塊問(wèn)題，將不可靠的NAND Flash虛擬成可靠的存儲(chǔ)設(shè)備，為上層文件系統(tǒng)提供可靠透明服務(wù)，這種方法較第一種更復(fù)雜，但是此法具有較強(qiáng)的可移植性并能徹底斷絕與文件系統(tǒng)的聯(lián)系，其他文件系統(tǒng)也同樣適用。

　　本文是以Samsung的NAND Flash K9F2808U0C作為存儲(chǔ)芯片，設(shè)計(jì)了一種在NFTL上實(shí)現(xiàn)壞塊管理并且實(shí)現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)讀取的方法。

　　2 設(shè)計(jì)思想

　　2.1 閃存空間劃分

　　K9F2808U0C是16 MB×8 bit的NAND Flash，共有1 024個(gè)Block，1 Block=16 KB，32 Page/Block，1 Page=528 B=（512 B+16 B），其中16 B為備用區(qū)，主要存放NAND Flash出廠壞塊標(biāo)記、ECC校驗(yàn)碼以及用戶(hù)自定義區(qū)。K9F2808U0C地址空間是24 bit，分三個(gè)周期依次送入NAND Flash的地址鎖存器。本文使用的地址均為字節(jié)地址，數(shù)據(jù)類(lèi)型為DWORD（4 B）。

　　將K9F2808U0C的存儲(chǔ)空間劃分為四個(gè)區(qū)：壞塊映射表存放區(qū)、交換塊區(qū)、壞塊映射區(qū)和實(shí)際數(shù)據(jù)存放區(qū)。文件系統(tǒng)管理的空間就是實(shí)際的數(shù)據(jù)存放空間，如圖2所示。

　　2.2 各分區(qū)宏定義

　　#define FLASH_BLOCK_SIZE 0x40000 //16 KB/Block

　　#define FLASH_PAGE_SIZE 0x200 //512 B/Page

　　#define FLASH_SECTOR_SIZE 0x200

　　//1Page=1Sector（only K9F2808U0C）

　　#define FLASH_BLOCKS_TABLE 3//壞塊映射表存放塊數(shù)

　　#define FLASH_SWAP_BLOCKS 5 //交換區(qū)的塊數(shù)

　　#define FLASH_BAD_BLOCKS_REMAP 50

　　//壞簇重映區(qū)的塊數(shù)

　　#define FLASH_MAX_ADDR 0xFFFFFF

　　//Flash最大字節(jié)地址

　　各分區(qū)首地址計(jì)算公式：

　　FLASH_BLOCK_TABLE_ADDR=FLASH_MAX_ADDR+

　　1-3*FLASH_BLOCK_SIZE）；

　　FLASH_SWAP_BLOCK_ADDR=（FLASH_BLOCK_

　　TABLE_ADDR-5*FLASH_BLOCK_SIZE）;

　　FLASH_BAD_BLOCK_REMAP_ADDR=（FLASH_SWAP_

　　BLOCK_ADDR-50*FLASH_BLOCK_SIZE）;

　　FLASH_MAX_SECTOR_ADDR=（FLASH_MAX_ADDR-

　　3*FLASH_BLOCK_TABLE_ADDR-5*FLASH_SWAP_

　　BLOCK_ADDR-50*FLASH_BAD_BLOCK_REMAP_ADDR）；

　　文件系統(tǒng)管理的最大字節(jié)地址。

　　任意地址Addr：

　　所在塊地址：Addr&（~（FLASH_BLOCK_SIZE-1））;

　　塊內(nèi)偏移地址：Addr&（FLASH_BLOCK_SIZE-1）;

　　塊中的頁(yè)：（Addr&（FLASH_BLOCK_SIZE-1））/FLASH_

　　PAGE_SIZE；

　　2.3 分區(qū)功能設(shè)計(jì)

　　壞塊映射區(qū)存放復(fù)制3份的壞塊信息BBI（Bad Block Information）表。復(fù)制3份是預(yù)防系統(tǒng)突然斷電，造成BBI表數(shù)據(jù)丟失。選擇最后3個(gè)塊，主要是出于固件設(shè)計(jì)。當(dāng)Flash首次上電，固件程序通過(guò)讀取Flash ID，獲得設(shè)備的容量等信息，然后從Flash的最后一塊中尋找BBI表，如果最后一塊沒(méi)有發(fā)現(xiàn)BBI表，則認(rèn)為此塊為壞塊，繼續(xù)前移尋找，依此類(lèi)推，直到在預(yù)留的3個(gè)塊中找到，并將其數(shù)據(jù)讀入到在主控芯片為其開(kāi)設(shè)的RAM中。如果還找不到，則固件認(rèn)為該片F(xiàn)lash沒(méi)有BBI表。

　　交換塊區(qū)是對(duì)NAND Flash進(jìn)行擦除或?qū)懖僮鲿r(shí)用來(lái)臨時(shí)存放數(shù)據(jù)，共分配5個(gè)塊。選取5塊是出于可靠性設(shè)計(jì)。用一個(gè)數(shù)組FlashSwapBlockStatus［FLASH_SWAP_BLOCKS］記錄交換塊狀態(tài)：有效還是已經(jīng)損壞。初始化時(shí)，固件認(rèn)為所有的交換塊都是有效塊，在隨后對(duì)其進(jìn)行擦除或?qū)懖僮鲿r(shí)，通過(guò)讀Flash狀態(tài)寄存器判斷該交換塊的真實(shí)狀態(tài)，并記錄在數(shù)組中。交換塊的管理圍繞固件請(qǐng)求返回當(dāng)前可用交換塊地址或當(dāng)前正在使用的交換塊地址，并判斷標(biāo)記當(dāng)前使用的交換塊狀態(tài)為壞。

　　壞塊映射區(qū)是當(dāng)主機(jī)向數(shù)據(jù)區(qū)寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，檢測(cè)到當(dāng)前塊（數(shù)據(jù)區(qū)）為壞塊時(shí)，將數(shù)據(jù)寫(xiě)到壞塊映射區(qū)中的相應(yīng)好塊中，并且將這兩個(gè)塊的塊地址記錄到BBI表中，以后主機(jī)若要對(duì)當(dāng)前塊（數(shù)據(jù)區(qū)）訪問(wèn)時(shí)，只需讀BBI表就可以找到相應(yīng)映射塊，從而代替壞塊的訪問(wèn)。這樣就使文件系統(tǒng)所見(jiàn)邏輯塊地址LBA（Logical Block Address）變成連續(xù)的，但實(shí)際上物理塊地址PBA（Physical Block Address）可能并不連續(xù)。上述方法就是壞塊管理的精髓。出于保守設(shè)計(jì)本文共選50塊作為重映塊。用數(shù)組FlashRemapBlockStatus［FLASH_BAD_BLOCKS_REMAP］標(biāo)識(shí)壞塊映射區(qū)的狀態(tài)：未使用、已使用還是已經(jīng)損壞。初始化時(shí)認(rèn)為壞塊映射區(qū)中所有塊都是好塊。

　　3 NFTL壞塊管理設(shè)計(jì)

　　3.1 構(gòu)建BBI表

　　用一數(shù)組FlashBadBlockTable［2］［FLASH_BAD_BLOCKS_REMAP］存放BBI表。第一維為壞塊（數(shù)據(jù)區(qū)）的塊地址，第二維為映射塊地址（重映塊）。

　　BBI表的構(gòu)建可在Flash首次上電時(shí)，通過(guò)讀取廠商設(shè)置在Flash備用區(qū)中的壞塊標(biāo)記識(shí)別壞塊，建立壞塊映射表，此法初始化時(shí)間與Flash的容量成正比；或通過(guò)讀NAND Flash所有塊內(nèi)容并和0xFF作比較［3］，如果不相同，則表示壞塊。這種方法只針對(duì)新閃存，并且構(gòu)建BBI表的時(shí)間長(zhǎng)，主控芯片的占用率高；另一種方法是在Flash初次上電時(shí)先不建立壞塊表，認(rèn)為當(dāng)前所有的塊都是好塊，在隨后操作中發(fā)現(xiàn)壞塊，并更新BBI表。本文選擇后一種方法。

　　3.2 壞塊映射表區(qū)的設(shè)計(jì)

　　將BBI表通過(guò)特殊的方式保存，以后通過(guò)此種方式的逆向來(lái)識(shí)別BBI表。壞塊映射表區(qū)的3個(gè)塊的設(shè)計(jì)方法如下：

　　（1）在每塊最后一頁(yè)的首字節(jié)處做特殊標(biāo)記，用于標(biāo)識(shí)該塊有沒(méi)有準(zhǔn)備被擦除：0xFF表示沒(méi)有準(zhǔn)備被擦除；0x00表示該塊已經(jīng)準(zhǔn)備被擦除［4］。

　　（2）在每塊的倒數(shù)第二頁(yè)的首字節(jié)處寫(xiě)0x00，表示該塊存放BBI表數(shù)據(jù)；并在第2、3、4、5個(gè)字節(jié)處以大端模式存放校驗(yàn)和，用于校驗(yàn)該塊中存放的所有數(shù)據(jù)的正確性。該頁(yè)的剩余字節(jié)寫(xiě)0xFF。

　　（3）在第一頁(yè)起依次寫(xiě)：表頭特殊標(biāo)記（0x0055AAFF）、壞塊總數(shù)（FlashBadBlockCount）、BBI表（FlashBadBlockTable）、重映塊狀態(tài)（FlashRemapBlockStatus），其結(jié)構(gòu)如圖3所示。