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          FLASH存儲-----NAND FLASH

          作者: 時間:2016-11-21 來源:網(wǎng)絡 收藏
          二.NAND FLASH

          NAND FLASH在對大容量的數(shù)據(jù)存儲需要中日益發(fā)展,到現(xiàn)今,所有的數(shù)碼相機、多數(shù)MP3播放器、各種類型的U盤、很多PDA里面都有NAND FLASH的身影。

          本文引用地址:http://cafeforensic.com/article/201611/319500.htm

          1.Flash的簡介

          NOR Flash:

          u程序和數(shù)據(jù)可存放在同一片芯片上,擁有獨立的數(shù)據(jù)總線和地址總線,能快速隨機地讀取,允許系統(tǒng)直接從Flash中讀取代碼執(zhí)行,而無需先將代碼下載至RAM中再執(zhí)行

          u可以單字節(jié)或單字編程,但不能單字節(jié)擦除,必須以塊為單位或?qū)φ瑘?zhí)行擦除操作,在對存儲器進行編程之前需要對塊或整片進行預編程和擦除操作。

          NAND FLASH

          u以頁為單位進行讀寫操作,1頁為256B或512B;以塊為單位進行擦除操作,1塊為4KB、8KB或16KB。具有快編程和快擦除的功能

          u數(shù)據(jù)、地址采用同一總線,實現(xiàn)串行讀取。隨機讀取速度慢且不能按字節(jié)隨機編程

          u芯片尺寸小,引腳少,是位成本(bit cost)最低的固態(tài)存儲器

          u芯片存儲位錯誤率較高,推薦使用ECC校驗,并包含有冗余塊,其數(shù)目大概占1%,當某個存儲塊發(fā)生錯誤后可以進行標注,并以冗余塊代替

          uSamsung、TOSHIBA和Fujistu三家公司支持采用NAND技術NAND Flash。目前,Samsung公司推出的最大存儲容量可達8Gbit。NAND主要作為SmartMedia卡、Compact Flash卡、PCMCIA ATA卡、固態(tài)盤的存儲介質(zhì),并正成為Flash磁盤技術的核心。

          2.NAND FLASH和NOR FLASH的比較

          1)性能比較

          flash閃存是非易失存儲器,可以對稱為塊的存儲器單元塊進行擦寫和再編程。任何flash器件的寫入操作只能在空或已擦除的單元內(nèi)進行,所以大多數(shù)情況下,在進行寫入操作之前必須先執(zhí)行擦除。NAND器件執(zhí)行擦除操作是十分簡單的,而NOR則要求在進行擦除前先要將目標塊內(nèi)所有的位都寫為0。

          由于擦除NOR器件時是以64~128KB的塊進行的,執(zhí)行一個寫入/擦除操作的時間為5s,與此相反,擦除NAND器件是以8~32KB的塊進行的,執(zhí)行相同的操作最多只需要4ms。

          執(zhí)行擦除時塊尺寸的不同進一步拉大了NOR和NADN之間的性能差距,統(tǒng)計表明,對于給定的一套寫入操作(尤其是更新小文件時),更多的擦除操作必須在基于NOR的單元中進行。這樣,當選擇存儲解決方案時,設計師必須權衡以下的各項因素。

            ● NOR的讀速度比NAND稍快一些。

            ● NAND的寫入速度比NOR快很多。

            ● NAND的4ms擦除速度遠比NOR的5s快。

            ●大多數(shù)寫入操作需要先進行擦除操作。

            ● NAND的擦除單元更小,相應的擦除電路更少。

          2)接口差別

          NOR flash帶有SRAM接口,有足夠的地址引腳來尋址,可以很容易地存取其內(nèi)部的每一個字節(jié)。

          NAND器件使用復雜的I/O口來串行地存取數(shù)據(jù),共用8位總線(各個產(chǎn)品或廠商的方法可能各不相同)。8個引腳用來傳送控制、地址和數(shù)據(jù)信息。NAND讀和寫操作采用512字節(jié)的頁和32KB的塊為單位,這一點有點像硬盤管理此類操作,很自然地,基于NAND的存儲器就可以取代硬盤或其他塊設備。

          3)容量和成本

          NAND flash的單元尺寸幾乎是NOR器件的一半,由于生產(chǎn)過程更為簡單,NAND結(jié)構(gòu)可以在給定的模具尺寸內(nèi)提供更高的容量,也就相應地降低了價格,大概只有NOR的十分之一。

          NOR flash占據(jù)了容量為1~16MB閃存市場的大部分,而NAND flash只是用在8~128MB的產(chǎn)品當中,這也說明NOR主要應用在代碼存儲介質(zhì)中,NAND適合于數(shù)據(jù)存儲,NAND在CompactFlash、Secure Digital、PC Cards和MMC存儲卡市場上所占份額最大。

          4)可靠性和耐用性

          采用flahs介質(zhì)時一個需要重點考慮的問題是可靠性。對于需要擴展MTBF的系統(tǒng)來說,F(xiàn)lash是非常合適的存儲方案??梢詮膲勖?耐用性)、位交換和壞塊處理三個方面來比較NOR和NAND的可靠性。

          在NAND閃存中每個塊的最大擦寫次數(shù)是一百萬次,而NOR的擦寫次數(shù)是十萬次。NAND存儲器除了具有10比1的塊擦除周期優(yōu)勢,典型的NAND塊尺寸要比NOR器件小8倍,每個NAND存儲器塊在給定的時間內(nèi)的刪除次數(shù)要少一些。

          5)位交換(錯誤率)

          所有flash器件都受位交換現(xiàn)象的困擾。在某些情況下(很少見,NAND發(fā)生的次數(shù)要比NOR多),一個比特位會發(fā)生反轉(zhuǎn)或被報告反轉(zhuǎn)了。一位的變化可能不很明顯,但是如果發(fā)生在一個關鍵文件上,這個小小的故障可能導致系統(tǒng)停機。如果只是報告有問題,多讀幾次就可能解決了。當然,如果這個位真的改變了,就必須采用錯誤探測/錯誤更正(EDC/ECC)算法。位反轉(zhuǎn)的問題更多見于NAND閃存,NAND的供應商建議使用NAND閃存的時候,同時使用EDC/ECC算法。

          這個問題對于用NAND存儲多媒體信息時倒不是致命的。當然,如果用本地存儲設備來存儲操作系統(tǒng)、配置文件或其他敏感信息時,必須使用EDC/ECC系統(tǒng)以確??煽啃浴?/p>

          6)壞塊處理

          NAND器件中的壞塊是隨機分布的。以前也曾有過消除壞塊的努力,但發(fā)現(xiàn)成品率太低,代價太高,根本不劃算。NAND器件需要對介質(zhì)進行初始化掃描以發(fā)現(xiàn)壞塊,并將壞塊標記為不可用?,F(xiàn)在的FLSAH一般都提供冗余塊來代替壞塊如發(fā)現(xiàn)某個塊的數(shù)據(jù)發(fā)生錯誤(ECC校驗),則將該塊標注成壞塊,并以冗余塊代替。這導致了在NAND Flash中,一般都需要對壞塊進行編號管理,讓每一個塊都有自己的邏輯地址。

          7)易于使用

          可以非常直接地使用基于NOR的閃存,可以像其他存儲器那樣連接,并可以在上面直接運行代碼。由于需要I/O接口,NAND要復雜得多。各種NAND器件的存取方法因廠家而異。在使用NAND器件時,必須先寫入驅(qū)動程序,才能繼續(xù)執(zhí)行其他操作。向NAND器件寫入信息需要相當?shù)募记桑驗樵O計師絕不能向壞塊寫入,這就意味著在NAND器件上自始至終都必須進行虛擬映射。

          8)軟件支持

          當討論軟件支持的時候,應該區(qū)別基本的讀/寫/擦操作和高一級的用于磁盤仿真和閃存管理算法的軟件,包括性能優(yōu)化。在NOR器件上運行代碼不需要任何的軟件支持,在NAND器件上進行同樣操作時,通常需要驅(qū)動程序,也就是內(nèi)存技術驅(qū)動程序(MTD),NAND和NOR器件在進行寫入和擦除操作時都需要MTD。使用NOR器件時所需要的MTD要相對少一些,許多廠商都提供用于NOR器件的更高級軟件,這其中包括M-System的TrueFFS驅(qū)動,該驅(qū)動被Wind River System、Microsoft、QNX Software System、Symbian和Intel等廠商所采用。驅(qū)動還用于對DiskOnChip產(chǎn)品進行仿真和NAND閃存的管理,包括糾錯、壞塊處理和損耗平衡。

          在掌上電腦里要使用NAND FLASH存儲數(shù)據(jù)和程序,但是必須有NOR FLASH來啟動。除了SAMSUNG處理器,其他用在掌上電腦的主流處理器還不支持直接由NAND FLASH啟動程序。因此,必須先用一片小的NOR FLASH啟動機器,在把OS等軟件從NAND FLASH載入SDRAM中運行才行。

          9)主要供應商

          NOR FLASH的主要供應商是INTEL ,MICRO等廠商,曾經(jīng)是FLASH的主流產(chǎn)品,但現(xiàn)在被NANDFLASH擠的比較難受。它的優(yōu)點是可以直接從FLASH中運行程序,但是工藝復雜,價格比較貴。

          NAND FLASH的主要供應商是SAMSUNG和東芝,在U盤、各種存儲卡、MP3播放器里面的都是這種FLASH,由于工藝上的不同,它比NORFLASH擁有更大存儲容量,而且便宜。但也有缺點,就是無法尋址直接運行程序,只能存儲數(shù)據(jù)。另外NAND FLASH非常容易出現(xiàn)壞區(qū),所以需要有校驗的算法。

          3.NAND Flash的硬件設計

          NAND FLASH是采用與非門結(jié)構(gòu)技術的非易失存儲器,有8位和16位兩種組織形式,下面以8位的NAND FLASH進行討論。

          1)接口信號

          與NOR Flash相比較,其數(shù)據(jù)線寬度只有8bit,沒有地址總線,I/O接口可用于控制命令和地址的輸入,也可用于數(shù)據(jù)的輸入和輸出,多了CLE和ALE來區(qū)分總線上的數(shù)據(jù)類別。

          信號

          類型

          描述

          CLE

          O

          命令鎖存使能

          ALE

          O

          地址鎖存使能

          nFCE

          O

          NAND Flash片選

          NFRE

          O

          NAND Flash讀使能

          nFWE

          O

          NAND Flash寫使能

          NCON

          I

          NAND Flash配置

          R/nB

          I

          NAND Flash Ready/Busy

          2)地址結(jié)構(gòu)

          NAND FLASH主要以頁(page)為單位進行讀寫,以塊(block)為單位進行擦除。FLASH頁的大小和塊的大小因不同類型塊結(jié)構(gòu)而不同,塊結(jié)構(gòu)有兩種:小塊(圖7)和大塊(圖8),小塊NAND FLASH包含32個頁,每頁512+16字節(jié);大塊NAND FLASH包含64頁,每頁2048+64字節(jié)。

          圖7小塊類型NAND FLASH

          圖8大塊類型NAND FLASH

          其中,512B(或1024B)用于存放數(shù)據(jù),16B(64B)用于存放其他信息(包括:塊好壞的標記、塊的邏輯地址、頁內(nèi)數(shù)據(jù)的ECC校驗和等)。NAND設備的隨機讀取得效率很低,一般以頁為單位進行讀操作。系統(tǒng)在每次讀一頁后會計算其校驗和,并和存儲在頁內(nèi)的冗余的16B內(nèi)的校驗和做比較,以此來判斷讀出的數(shù)據(jù)是否正確。

          大塊和小塊NAND FLASH都有與頁大小相同的頁寄存器,用于數(shù)據(jù)緩存。當讀數(shù)據(jù)時,先從NAND FLASH內(nèi)存單元把數(shù)據(jù)讀到頁寄存器,外部通過訪問NAND FLASH I/O端口獲得頁寄存器中數(shù)據(jù)(地址自動累加);當寫數(shù)據(jù)時,外部通過NAND FLASH I/O端口輸入的數(shù)據(jù)首先緩存在頁寄存器,寫命令發(fā)出后才寫入到內(nèi)存單元中。

          3)接口電路設計(以下以2410和K9F1208U為例)

          2410處理器擁有專門針對NAND設備的接口,可以很方便地和NAND設備對接,如圖9所示。雖然NAND設備的接口比較簡單,容易接到系統(tǒng)總線上,但2410處理器針對NAND設備還集成了硬件ECC校驗,這將大大提高NAND設備的讀寫效率。當沒有處理器的ECC支持時,就需要由軟件來完成ECC校驗,這將消耗大量的CPU資源,使讀寫速度下降。

          圖9S3C2410與NAND FLASH接口電路示意圖

          3.NAND FLASH的軟件編寫和調(diào)試

          NAND設備的軟件調(diào)試一般分為以下幾個步驟:設置相關寄存器、NAND設備的初始化、NAND設備的識別、NAND設備的讀擦寫(帶ECC校驗)

          NAND設備的操作都是需要通過命令來完成,不同廠家的命令稍有不同,以下一Samsung公司的K9F1208U0M命令表為例介紹NAND設備的軟件編寫。

          表2K9F1208U0MCommand Sets

          1)根據(jù)2410寄存器定義如下的命令宏

          #define NF_CMD(cmd){rNFCMD=cmd;}

          #define NF_ADDR(addr){rNFADDR=addr;}

          #define NF_nFCE_L(){rNFCONF&=~(1<<11);}

          #define NF_nFCE_H(){rNFCONF|=(1<<11);}

          #define NF_RSTECC(){rNFCONF|=(1<<12);}

          #define NF_RDDATA()(rNFDATA)

          #define NF_WRDATA(data) {rNFDATA=data;}

          #define NF_WAITRB(){while(!(rNFSTAT&(1<<0)));}

          //wait tWB and check F_RNB pin.

          2)NAND設備的初始化

          static void NF_Init(void)//Flash初始化

          {

          rNFCONF=(1<<15)|(1<<14)|(1<<13)|(1<<12)|(1<<11)|(TACLS<<8)|(TWRPH0<<4)|(TWRPH1<<0);//設置NAND設備的相關寄存器

          NF_Reset();

          }

          static void NF_Reset(void)//Flash重置

          {

          int i;

          NF_nFCE_L();

          NF_CMD(0xFF);//reset command

          for(i=0;i<10;i++);//tWB = 100ns

          NF_WAITRB();//wait 200~500us;

          NF_nFCE_H();

          }

          3)NAND設備的識別//#define ID_K9F1208U0M0xec76

          static U16 NF_CheckId(void)//Id辨別

          {

          int i;

          U16 id;

          NF_nFCE_L();

          NF_CMD(0x90);

          NF_ADDR(0x0);

          for(i=0;i<10;i++);//wait tWB(100ns)

          id=NF_RDDATA()<<8;// Maker code(K9F1208U:0xec)

          id|=NF_RDDATA();// Devide code(K9F1208U:0x76)

          NF_nFCE_H();

          return id;

          }

          4)NAND的擦操作

          static int NF_EraseBlock(U32 block)

          {

          U32 blockPage=(block<<5);

          int i;

          NF_nFCE_L();

          NF_CMD(0x60[q1]);// Erase one block 1st command

          NF_ADDR(blockPage&0xff);// Page number="0"

          NF_ADDR((blockPage>>8)&0xff);

          NF_ADDR((blockPage>>16)&0xff);

          NF_CMD(0xd0[q2]);// Erase one blcok 2nd command

          for(i=0;i<10;i++);//wait tWB(100ns)//??????

          NF_WAITRB();// Wait tBERS max 3ms.

          NF_CMD(0x70);//Read status command

          if (NF_RDDATA()&0x1)// Erase error

          {

          NF_nFCE_H();

          Uart_Printf("[ERASE_ERROR:block#=%d]n",block);

          return 0;

          }

          else

          {

          NF_nFCE_H();

          return 1;

          }

          }

          5)NAND的讀操作

          static int NF_ReadPage(U32 block,U32 page,U8 *buffer)//讀Flash

          {

          int i;

          unsigned int blockPage;

          U8 ecc0,ecc1,ecc2;

          U8 *bufPt=buffer;

          U8 se[16];

          page=page&0x1f;//32頁

          blockPage=(block<<5)+page;//1Bolck包含32頁

          NF_RSTECC();// Initialize ECC

          NF_nFCE_L();

          NF_CMD(0x00);// Read command

          NF_ADDR(0);// Column = 0

          NF_ADDR(blockPage&0xff);//

          NF_ADDR((blockPage>>8)&0xff);// Block & Page num.

          NF_ADDR((blockPage>>16)&0xff);//

          for(i=0;i<10;i++);//wait tWB(100ns)

          NF_WAITRB();// Wait tR(max 12us)

          for(i=0;i<512;i++)

          {

          *bufPt++=NF_RDDATA();// Read one page

          }

          ecc0=rNFECC0;//利用2410自帶的硬件ECC校驗

          ecc1=rNFECC1;

          ecc2=rNFECC2;

          for(i=0;i<16;i++)

          {

          se[i]=NF_RDDATA();// Read spare array

          //讀頁內(nèi)冗余的16B

          }

          NF_nFCE_H();

          if(ecc0==se[0] && ecc1==se[1] && ecc2==se[2])//未知使用哪一種軟件規(guī)范?

          {//比較數(shù)據(jù)結(jié)果是否正確

          Uart_Printf("[ECC OK:%x,%x,%x]n",se[0],se[1],se[2]);

          return 1;

          }

          else

          {

          Uart_Printf("[ECC ERROR(RD):read:%x,%x,%x, reg:%x,%x,%x]n",

          se[0],se[1],se[2],ecc0,ecc1,ecc2);

          return 0;

          }

          }

          6)NAND的寫操作

          static int NF_WritePage(U32 block,U32 page,U8 *buffer)//寫Flash

          {

          int i;

          U32 blockPage=(block<<5)+page;

          U8 *bufPt=buffer;

          NF_RSTECC();// Initialize ECC

          NF_nFCE_L();

          NF_CMD(0x0[q4]);//Read Mode 1

          NF_CMD(0x80);// Write 1st command,數(shù)據(jù)輸入

          NF_ADDR(0);// Column 0

          NF_ADDR(blockPage&0xff);

          NF_ADDR((blockPage>>8)&0xff);// Block & page num.

          NF_ADDR((blockPage>>16)&0xff);

          for(i=0;i<512;i++)

          {

          NF_WRDATA(*bufPt++);// Write one page to NFM from buffer

          }

          seBuf[0]=rNFECC0;

          seBuf[1]=rNFECC1;

          seBuf[2]=rNFECC2;

          seBuf[5]=0xff;// Marking good block

          for(i=0;i<16;i++)

          {

          NF_WRDATA(seBuf[i]);// Write spare array(ECC and Mark)

          }

          NF_CMD(0x10);// Write 2nd command

          for(i=0;i<10;i++);//tWB = 100ns.

          NF_WAITRB();//wait tPROG 200~500us;

          NF_CMD(0x70);// Read status command

          for(i=0;i<3;i++);//twhr=60ns

          if (NF_RDDATA()&0x1)// Page write error

          {

          NF_nFCE_H();

          Uart_Printf("[PROGRAM_ERROR:block#=%d]n",block);

          return 0;

          }

          else

          {

          NF_nFCE_H();

          #if (WRITEVERIFY==1)

          //return NF_VerifyPage(block,page,pPage);

          #else

          return 1;

          #endif

          }

          }

          以下討論一下NAND設備上所支持的文件系統(tǒng),大概現(xiàn)在有以下幾種:

          A.JFFS2(沒有壞塊處理,支持大容量存儲的時候需要消耗大量的內(nèi)存,大量的隨機訪問降低了NAND設備的讀取效率)和YAFFS(速度快,但不支持文件的壓縮和解壓)

          B.支持DiskOnChip設備的TRUEFFS(True Flash File System). TRUEFFS是M-Systems公司為其產(chǎn)品DiskOnChip開發(fā)的文件系統(tǒng),其規(guī)范并不開放。

          C.由SSFDC(Solid State Floppy Disk Card)論壇定義的支持SM卡的DOS-FAT。SM卡的DOS-FAT文件系統(tǒng)是由SSFDC論壇定義的,但它必須用在標準的塊設備上。

          對于大量用在各類存儲卡上的NAND設備而言,他們幾乎都采用FAT文件系統(tǒng),而在嵌入式操作系統(tǒng)下,還沒有驅(qū)動程序可以直接讓NAND設備采用文件系統(tǒng),就技術角度來說,F(xiàn)AT文件系統(tǒng)不是很適合NAND設備,因為FAT文件系統(tǒng)的文件分區(qū)表需要不斷地擦寫,而NAND設備的只能有限次的擦寫。

          在上面已經(jīng)很明顯的提到,NAND設備存在壞塊,為和上層文件系統(tǒng)接口,NAND設備的驅(qū)動程序必須給文件系統(tǒng)提供一個可靠的存儲空間,這就需要ECC(Error Corection Code)校驗,壞塊標注、地址映射等一系列的技術手段來達到可靠存儲目的。

          SSFDC軟件規(guī)范中,詳細定義了如何利用NAND設備每個頁中的冗余信息來實現(xiàn)上述功能。這個軟件規(guī)范中,很重要的一個概念就是塊的邏輯地址,它將在物理上可能不連續(xù)、不可靠的空間分配編號,為他們在邏輯空間上給系統(tǒng)文件提供一個連續(xù)可靠的存儲空間。

          表3給出了SSFDC規(guī)范中邏輯地址的標注方法。在系統(tǒng)初始化的時候,驅(qū)動程序先將所有的塊掃描一遍,讀出他們所對應的邏輯地址,并把邏輯地址和虛擬地址的映射表建好。系統(tǒng)運行時,驅(qū)動程序通過查詢映射表,找到需要訪問的邏輯地址所對應的物理地址然后進行數(shù)據(jù)讀寫。

          表3冗余字節(jié)定義

          字節(jié)序號

          內(nèi)容

          字節(jié)序號

          內(nèi)容

          512

          用戶定義數(shù)據(jù)

          520

          后256BECC校驗和

          513

          521

          514

          522

          515

          523

          塊邏輯地址

          516

          數(shù)據(jù)狀態(tài)

          524

          517

          塊狀態(tài)

          525

          前256BECC校驗和

          518

          塊邏輯地址1

          526

          519

          527

          表4給出了塊邏輯地址的存放格式,LA表示邏輯地址,P代表偶校驗位。邏輯地址只有10bit,代表只有1024bit的尋址空間。而SSFDC規(guī)范將NAND設備分成了多個zone,每個zone內(nèi)有1024塊,但這物理上的1024塊映射到邏輯空間只有1000塊,其他的24塊就作為備份使用,當有壞塊存在時,就可以以備份塊將其替換。

          表4邏輯地址格式

          D7

          D6

          D5

          D4

          D3

          D2

          D1

          D0

          0

          0

          0

          1

          0

          LA9

          LA8

          LA7

          第518523字節(jié)

          LA6

          LA5

          LA4

          LA3

          LA2

          LA1

          LA0

          P

          第519524字節(jié)

          有了以上的軟件規(guī)范,就可以對NAND設備寫出較標準的ECC校驗,并可以編寫檢測壞塊、標記壞塊、建立物理地址和邏輯地址的映射表的程序了。

          static int NF_IsBadBlock(U32 block)//檢測壞塊

          {

          }

          static int NF_MarkBadBlock(U32 block)//標記壞塊

          {

          }

          int search_logic_block(void)//建立物理地址到邏,輯地址的映射表

          {

          }

          這段代碼的主要作用就是產(chǎn)生數(shù)組lg2ph[],這個數(shù)組的含義就是“塊物理地址=lg2ph[邏輯地址]”。




          關鍵詞: FLASH存儲NANDFLAS

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