用于SD卡的NAND flash控制芯片的設計

　　O 引言

　　Flash是一種非易失存儲器，它在掉電條件下仍然能夠長期保持數據。由于它具有容量大、速度快、功耗低、抗震性能好等優點，近幾年在U盤、SD卡、SSD硬盤等各種移動存儲設備中得到了廣泛的應用。本文給出了一款性能優異、成本低廉可用于SD卡的NAND flash控制芯片的設計方法。(本方法也同樣適用于其他存儲設備。文中集中探討了一種高效管理物理塊的算法，包括邏輯物理地址映射以及spare區的定義，另外，還有雙緩沖器優化讀寫的方法等。

　　1 Flash簡介

　　1.1 SLC flash與MLC flash的比較

　　從架構上，flash可以分為SLC(Single-Level-Cell) flash和MLC(Multi-Level-Cell)flash兩種。和SLC Flash相比較，MLC flash的優點是面積小、成本低：缺點是出錯率高，壽命短(SLC的每個block能夠擦寫100，000次，而MLC能夠擦寫10，000次)。由于MLC flash具有成本低的優勢，而其出錯率高的缺陷又可以通過ECC(Error Correction Code)糾錯來有效解決，壽命短的問題也可以通過磨損均衡來彌補，因此，MLC flash的應用更加廣泛，但在一些高端應用仍然會使SLCflash。本設計就是針對MLC flash，但是，本方法對SLC flash也能夠處理。

　　1.2 NAND flash結構

　　不同廠商不同型號的flash的結構都大同小異，圖l所示是三星K9G8G08UOA型號的flash結構圖，圖l中的1個flash芯片包含4096個物理塊(block)，每個物理塊含有128個頁(page)，每個頁包含2112(2048+64)字節其中多出的64字節用于存放糾錯碼及其他信息用。

　　1.3 NAND flash的特點

　　Flash可支持讀(Read)操作、寫(Program)操作和擦除(Erase)操作。其中讀操作和寫操作的基本單位是頁，擦除操作的基本單位是塊。對flash的寫入操作只能在尚未寫入的空閑頁上進行，并且只能按照從低地址頁到高地址頁的順序進行操作，而不能寫了高地址頁之后，再寫低地址頁。如果想要修改某個已經寫過的頁，只能先對整個物理塊進行擦除，然后才能正確寫入。

　　2 Flash管理算法

　　2.1 邏輯物理地址映射

　　由于flash具有上述特點，因此，如果不采用邏輯物理地址映射，將會存在兩個問題：其一是Flash中難免會有壞塊，因而某些地址空間將是不可用的;其二，Flash讀寫的基本單位是頁，擦除的基本單位是塊，故在同一個頁的兩次寫之間，就必須要進行一次擦除操作，而擦除會擦除掉整個塊，這樣，為了避免其他頁的數據丟失，就得先把這些頁中的數據暫存到其他地方備份起來，之后再和新數據一起重新寫回到該塊中，因此，整個過程會比較復雜，而且會造成速度降低。這樣，一般都需要對flash加入邏輯物理地址映射管理算法，該算法的邏輯地址和物理地址的對應關系是變動的。

　　2.2 兩級地址映射

　　為了減少更新數據時原有數據的搬移，提高寫操作的速度，本文提出了采用兩級地址映射的機制，也就是在塊級別邏輯物理地址映射的基礎上引入頁級別上的邏輯物理地址映射。一個邏輯塊對應一個或兩個物理塊(稱為母塊和子塊)，邏輯塊中的邏輯頁對應一或兩個物理塊中的某個面。圖2所示是其地址解析示意圖。

　　在讀寫時，首先應將邏輯地址分為邏輯塊地址和邏輯頁地址，再根據塊映射表將邏輯塊地址映射到物理塊地址，然后讀取母塊和子塊中的sDare區，并據此建立頁映射表，再根據邏輯頁地址映射到物理頁地址，從而完成從邏輯地址到物理地址的轉換。其數據更新示意圖如圖3所示。

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