延長Flash存儲器使用壽命的研究

　　隨著嵌入式系統在數碼相機、數字攝像機、移動電話、MP3音樂播放器等移動設備中越來越廣泛的應用，Flash存儲器已經逐步取代其他半導體存儲元件，成為嵌入式系統中主要數據和程序載體。Flash存儲器又稱閃存，是一種可在線多次擦除的非易失性存儲器NVM(Non-Volatile Memo-ry)，即掉電后數據不會丟失。Flash存儲器還具有體積小、功耗低、抗振性強等優點，是嵌入式系統的首選存儲設備。

　　世面上常用的Flash存儲設備有兩種：NOR Flash和NAND Flash。根據存儲容量，NOR一般為1～16 MB，而NAND為8～512 MB，現在的大容量NAND已經可以達到4 GB；讀取速度NOR較NAND快，寫入速度NOR比NAND慢一些；擦除速度NOR需要2～5 s，而NAND僅僅需要2～5 ms；NAND的價格比NOR低很多。由于種種原因，較常用的是NAND Flash。但是由于NANDFlash的工藝不能保證NAND的存儲陣列(memory ar-ray)在其生命周期中保持性能的可靠，因此，在NAND的生產中及使用過程中會產生壞塊。其表現是：當編程／擦除這個塊時，不能將某些位拉高，這會造成頁編程(page program)和塊擦除(block erase)操作時的錯誤；相應地，反映到狀態寄存器(status register)的相應位。

　　總體上，壞塊可以分為兩大類：第一類為固有壞塊，這是生產過程中產生的壞塊，一般芯片原廠都會在出廠時將壞塊第一個頁的擴展區域(Spare Area)的第6個字節標記為不等于0xff的值；第二類為使用壞塊，這是在NANDFlash使用過程中，如果塊擦除或者頁編程錯誤，就可以簡單地將這個塊作為壞塊來處理，這個時候需要把壞塊標記起來。為了和固有壞塊信息保持一致，將新發現壞塊的第一個頁的擴展區域的第6個字節標記為非0xff的值。由于Flash寫入數據的時候是先擦除塊，這樣這個塊里面的數據將全部變成0xff，寫入1時，該位不變；寫入0時，該位由1變為0。如果將擴展區域的第6個字節標記為非0xff之后，將不可能再恢復為0xff，除非格式化有可能恢復。

　　我們已經了解到，壞了的塊是無法擦除和寫人數據的，而在嵌入式系統中，啟動的第一步就是將Flash里面的前4KB數據自動復制到SRAM里面去運行。如果僅僅Flash的第一塊壞了，而導致引導程序無法下載進去，那么這個塊不是不能讀取數據，而是讀不出我們想再要放入的數據，這樣這個Flash設備就報廢了。本文就這個問題作了深入的討論，用一種基于Flash的地址重映射的方法解決這個問題。本文采用三星(Samscrag)公司的S3C2440 ARM處理器和NAND Flash存儲設備K9F1208UOM討論地址重映射的思想。

　　1 S3C2440使用NAND Flash引導系統的方法

　　自動啟動模式順序：

　?、購臀煌瓿?；

　?、诋斣O置為自動啟動模式，NAND Flash的開始4 KB被拷貝到Steppingstone的4 KB內部緩沖器；

　?、跾teppingstone映射到nGCS0；

　?、蹸PU開始在Steppingstone執行啟動代碼程序。

　　由系統引導順序看出，如果Flash的第一塊壞了，那么讀出的數據不一定是引導程序，這樣，系統將無法啟動。而在這種情況下，就只能換一塊完好的Flash了，這樣就造成了很大的浪費。

　　2 Flash存儲器的內部結構

　　K9F1208UOM型Flash芯片內部存儲器結構如圖1所示。

　　典型的NAND Flash由4 096塊組成，每一個塊包含32頁，而每頁是512+16=528字節。對于一個頁，0～511字節為主存儲區，即通常所說的用戶可設定地址區，用來存儲數據；512～527共16字節為擴展存儲區，用來存儲頁的信息。擴展區的16字節用于描述主存儲區的512字節。而對于壞塊，也僅僅是將這16字節的第6字節設置為不等于0xff，來標示壞塊。