FLASH存储-----NAND FLASH

NAND FLASH 在对大容量的数据存储需要中日益发展，到现今，所有的数码相机、多数ＭＰ３播放器、各种类型的Ｕ盘、很多PDA里面都有NAND FLASH的身影。

1.      Flash的简介

NOR Flash：

u       程序和数据可存放在同一片芯片上，拥有独立的数据总线和地址总线，能快速随机地读取，允许系统直接从Flash中读取代码执行，而无需先将代码下载至ＲＡＭ中再执行

u       可以单字节或单字编程，但不能单字节擦除，必须以块为单位或对整片执行擦除操作，在对存储器进行编程之前需要对块或整片进行预编程和擦除操作。

NAND FLASH

u       以页为单位进行读写操作，1页为256B或512B；以块为单位进行擦除操作，1块为4KB、8KB或16KB。具有快编程和快擦除的功能

u       数据、地址采用同一总线，实现串行读取。随机读取速度慢且不能按字节随机编程

u       芯片尺寸小，引脚少，是位成本（bit cost）最低的固态存储器

u       芯片存储位错误率较高，推荐使用 ECC校验，并包含有冗余块，其数目大概占1%，当某个存储块发生错误后可以进行标注，并以冗余块代替

u       Samsung、TOSHIBA和Fujistu三家公司支持采用NAND技术NAND Flash。目前，Samsung公司推出的最大存储容量可达8Gbit。NAND 主要作为SmartMedia卡、Compact Flash卡、PCMCIA ATA卡、固态盘的存储介质，并正成为Flash磁盘技术的核心。

2.      NAND FLASH 和NOR FLASH 的比较

1)       性能比较

    flash闪存是非易失存储器，可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程。任何flash器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行，所以大多数情况下，在进行写入操作之前必须先执行擦除。NAND器件执行擦除操作是十分简单的，而NOR则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为0。

    由于擦除NOR器件时是以64～128KB的块进行的，执行一个写入/擦除操作的时间为5s，与此相反，擦除NAND器件是以8～32KB的块进行的，执行相同的操作最多只需要4ms。

    执行擦除时块尺寸的不同进一步拉大了NOR和NADN之间的性能差距，统计表明，对于给定的一套写入操作(尤其是更新小文件时)，更多的擦除操作必须在基于NOR的单元中进行。这样，当选择存储解决方案时，设计师必须权衡以下的各项因素。

      　　● NOR的读速度比NAND稍快一些。

      　　● NAND的写入速度比NOR快很多。

      　　● NAND的4ms擦除速度远比NOR的5s快。

      　　● 大多数写入操作需要先进行擦除操作。

      　　● NAND的擦除单元更小，相应的擦除电路更少。

2)       接口差别

    NOR flash带有SRAM接口，有足够的地址引脚来寻址，可以很容易地存取其内部的每一个字节。

NAND器件使用复杂的I/O口来串行地存取数据，共用8位总线（各个产品或厂商的方法可能各不相同）。8个引脚用来传送控制、地址和数据信息。NAND读和写操作采用512字节的页和32KB的块为单位，这一点有点像硬盘管理此类操作，很自然地，基于NAND的存储器就可以取代硬盘或其他块设备。

3)       容量和成本

NAND flash的单元尺寸几乎是NOR器件的一半，由于生产过程更为简单，NAND结构可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量，也就相应地降低了价格，大概只有NOR的十分之一。

NOR flash占据了容量为1～16MB闪存市场的大部分，而NAND flash只是用在8～128MB的产品当中，这也说明NOR主要应用在代码存储介质中，NAND适合于数据存储，NAND在CompactFlash、Secure Digital、PC Cards和MMC存储卡市场上所占份额最大。

4)       可靠性和耐用性

采用flahs介质时一个需要重点考虑的问题是可靠性。对于需要扩展MTBF的系统来说，Flash是非常合适的存储方案。可以从寿命(耐用性)、位交换和坏块处理三个方面来比较NOR和NAND的可靠性。

在NAND闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次，而NOR的擦写次数是十万次。NAND存储器除了具有10比1的块擦除周期优势，典型的NAND块尺寸要比NOR器件小8倍，每个NAND存储器块在给定的时间内的删除次数要少一些。

5)       位交换（错误率）

所有flash器件都受位交换现象的困扰。在某些情况下(很少见，NAND发生的次数要比NOR多)，一个比特位会发生反转或被报告反转了。一位的变化可能不很明显，但是如果发生在一个关键文件上，这个小小的故障可能导致系统停机。如果只是报告有问题，多读几次就可能解决了。当然，如果这个位真的改变了，就必须采用错误探测/错误更正(EDC/ECC)算法。位反转的问题更多见于NAND闪存，NAND的供应商建议使用NAND闪存的时候，同时使用EDC/ECC算法。

这个问题对于用NAND存储多媒体信息时倒不是致命的。当然，如果用本地存储设备来存储操作系统、配置文件或其他敏感信息时，必须使用EDC/ECC系统以确保可靠性。

6)       坏块处理

NAND器件中的坏块是随机分布的。以前也曾有过消除坏块的努力，但发现成品率太低，代价太高，根本不划算。NAND器件需要对介质进行初始化扫描以发现坏块，并将坏块标记为不可用。现在的FLSAH一般都提供冗余块来代替坏块如发现某个块的数据发生错误（ECC校验），则将该块标注成坏块，并以冗余块代替。这导致了在NAND Flash 中，一般都需要对坏块进行编号管理，让每一个块都有自己的逻辑地址。

7)       易于使用

可以非常直接地使用基于NOR的闪存，可以像其他存储器那样连接，并可以在上面直接运行代码。由于需要I/O接口，NAND要复杂得多。各种NAND器件的存取方法因厂家而异。在使用NAND器件时，必须先写入驱动程序，才能继续执行其他操作。向NAND器件写入信息需要相当的技巧，因为设计师绝不能向坏块写入，这就意味着在NAND器件上自始至终都必须进行虚拟映射。

8)       软件支持

当讨论软件支持的时候，应该区别基本的读/写/擦操作和高一级的用于磁盘仿真和闪存管理算法的软件，包括性能优化。在NOR器件上运行代码不需要任何的软件支持，在NAND器件上进行同样操作时，通常需要驱动程序，也就是内存技术驱动程序(MTD)，NAND和NOR器件在进行写入和擦除操作时都需要MTD。使用NOR器件时所需要的MTD要相对少一些，许多厂商都提供用于NOR器件的更高级软件，这其中包括M-System的TrueFFS驱动，该驱动被Wind River System、Microsoft、QNX Software System、Symbian和Intel等厂商所采用。驱动还用于对DiskOnChip产品进行仿真和NAND闪存的管理，包括纠错、坏块处理和损耗平衡。

在掌上电脑里要使用NAND FLASH 存储数据和程序，但是必须有NOR FLASH来启动。除了SAMSUNG处理器，其他用在掌上电脑的主流处理器还不支持直接由NAND FLASH 启动程序。因此，必须先用一片小的NOR FLASH 启动机器，在把OS等软件从NAND FLASH 载入SDRAM中运行才行。

9)       主要供应商

NOR FLASH的主要供应商是INTEL ,MICRO等厂商，曾经是FLASH的主流产品，但现在被NANDFLASH挤的比较难受。它的优点是可以直接从FLASH中运行程序，但是工艺复杂，价格比较贵。

NAND FLASH的主要供应商是SAMSUNG和东芝，在U盘、各种存储卡、MP3播放器里面的都是这种FLASH，由于工艺上的不同，它比NORFLASH拥有更大存储容量，而且便宜。但也有缺点，就是无法寻址直接运行程序，只能存储数据。另外NAND FLASH非常容易出现坏区，所以需要有校验的算法。

3．NAND Flash的硬件设计

NAND FLASH是采用与非门结构技术的非易失存储器，有8位和16位两种组织形式，下面以8位的NAND FLASH进行讨论。

1)      接口信号

与NOR Flash相比较，其数据线宽度只有8bit，没有地址总线，I/O接口可用于控制命令和地址的输入，也可用于数据的输入和输出，多了CLE和ALE来区分总线上的数据类别。

2)      地址结构

NAND FLASH主要以页（page）为单位进行读写，以块(block)为单位进行擦除。FLASH页的大小和块的大小因不同类型块结构而不同，块结构有两种：小块（图7）和大块（图8），小块NAND FLASH包含32个页，每页512+16字节；大块NAND FLASH包含64页，每页2048+64字节。

图7  小块类型NAND FLASH

图8  大块类型NAND FLASH

其中，512B（或1024B）用于存放数据，16B（64B）用于存放其他信息（包括：块好坏的标记、块的逻辑地址、页内数据的ECC校验和等）。NAND设备的随机读取得效率很低，一般以页为单位进行读操作。系统在每次读一页后会计算其校验和，并和存储在页内的冗余的16B内的校验和做比较，以此来判断读出的数据是否正确。

大块和小块NAND FLASH都有与页大小相同的页寄存器，用于数据缓存。当读数据时，先从NAND FLASH内存单元把数据读到页寄存器，外部通过访问NAND FLASH I/O端口获得页寄存器中数据（地址自动累加）；当写数据时，外部通过NAND FLASH I/O端口输入的数据首先缓存在页寄存器，写命令发出后才写入到内存单元中。

3)      接口电路设计（以下以2410和K9F1208U为例）

2410处理器拥有专门针对 NAND设备的接口，可以很方便地和NAND设备对接，如图9所示。虽然NAND设备的接口比较简单，容易接到系统总线上，但2410处理器针对NAND设备还集成了硬件ECC校验，这将大大提高NAND设备的读写效率。当没有处理器的ECC支持时，就需要由软件来完成ECC校验，这将消耗大量的CPU资源，使读写速度下降。

图9 S3C2410与NAND FLASH接口电路示意图

3．NAND FLASH 的软件编写和调试

    NAND设备的软件调试一般分为以下几个步骤：设置相关寄存器、NAND 设备的初始化、NAND设备的识别、NAND设备的读擦写（带ECC校验）

    NAND设备的操作都是需要通过命令来完成，不同厂家的命令稍有不同，以下一Samsung公司的K9F1208U0M命令表为例介绍NAND设备的软件编写。

表2  K9F1208U0M  Command Sets

1)      根据2410寄存器定义如下的命令宏

#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 设备的初始化

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);                                            //设置NAND设备的相关寄存器 

    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设备的识别                    //#define ID_K9F1208U0M  0xec76

static U16 NF_CheckId(void)                            //Id 辨别

{

    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 的读操作

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

{

    int i;

    unsigned int blockPage;

    U8 ecc0,ecc1,ecc2;

    U8 *bufPt=buffer;

    U8 se[16];    

    page=page&0x1f;                                 //32页

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

    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自带的硬件ECC校验

      ecc1=rNFECC1;

      ecc2=rNFECC2;

    for(i=0;i<16;i++)

    { 

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

                                                    //读页内冗余的16B

    }

       NF_nFCE_H();   

    if(ecc0==se[0] && ecc1==se[1] && ecc2==se[2])   //未知使用哪一种软件规范？

    {                                               //比较数据结果是否正确

       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 的写操作

static int NF_WritePage(U32 block,U32 page,U8 *buffer)             //写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,数据输入

    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

    }

}

以下讨论一下NAND 设备上所支持的文件系统，大概现在有以下几种：

A.       JFFS2（没有坏块处理，支持大容量存储的时候需要消耗大量的内存，大量的随机访问降低了NAND设备的读取效率）和YAFFS（速度快，但不支持文件的压缩和解压）

B.       支持DiskOnChip设备的TRUEFFS（True Flash File System）. TRUEFFS是M-Systems公司为其产品DiskOnChip开发的文件系统，其规范并不开放。

C.       由SSFDC（Solid State Floppy Disk Card）论坛定义的支持SM卡的DOS-FAT。SM卡的DOS-FAT文件系统是由SSFDC论坛定义的，但它必须用在标准的块设备上。

对于大量用在各类存储卡上的NAND 设备而言，他们几乎都采用FAT文件系统，而在嵌入式操作系统下，还没有驱动程序可以直接让NAND设备采用文件系统，就技术角度来说，FAT文件系统不是很适合NAND设备，因为FAT文件系统的文件分区表需要不断地擦写，而NAND设备的只能有限次的擦写。

    在上面已经很明显的提到，NAND设备存在坏块，为和上层文件系统接口，NAND设备的驱动程序必须给文件系统提供一个可靠的存储空间，这就需要ECC（Error Corection Code）校验，坏块标注、地址映射等一系列的技术手段来达到可靠存储目的。

    SSFDC软件规范中，详细定义了如何利用NAND设备每个页中的冗余信息来实现上述功能。这个软件规范中，很重要的一个概念就是块的逻辑地址，它将在物理上可能不连续、不可靠的空间分配编号，为他们在逻辑空间上给系统文件提供一个连续可靠的存储空间。

表3给出了SSFDC规范中逻辑地址的标注方法。在系统初始化的时候，驱动程序先将所有的块扫描一遍，读出他们所对应的逻辑地址，并把逻辑地址和虚拟地址的映射表建好。系统运行时，驱动程序通过查询映射表，找到需要访问的逻辑地址所对应的物理地址然后进行数据读写。     

                表3 冗余字节定义

表4给出了块逻辑地址的存放格式，LA表示逻辑地址，P代表偶校验位。逻辑地址只有10bit，代表只有1024bit的寻址空间。而SSFDC规范将NAND设备分成了多个zone，每个zone 内有1024块，但这物理上的1024块映射到逻辑空间只有1000块，其他的24块就作为备份使用，当有坏块存在时，就可以以备份块将其替换。

表4  逻辑地址格式

有了以上的软件规范，就可以对NAND设备写出较标准的ECC校验，并可以编写检测坏块、标记坏块、建立物理地址和逻辑地址的映射表的程序了。

static int NF_IsBadBlock(U32 block)             //检测坏块

{

}

static int NF_MarkBadBlock(U32 block)                       //标记坏块

{

}

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

{

}

这段代码的主要作用就是产生数组lg2ph[],这个数组的含义就是“块物理地址=lg2ph[逻辑地址]”。