非易失閃存技術NAND Flash內存設備的讀寫控制設計

NOR Flash和NAND Flash是現在市場上兩種主要的非易失閃存技術。Flash因為具有非易失性及可擦除性，在數碼相機、手機、個人數字助理( PDA)、掌上電腦、MP3播放器等手持設備中得到廣泛的應用。NAND Flash相對于NOR Flash具有更小的體積、更快的寫入速度、更多次的可擦除次數以及更低廉的價格而得到了迅速發展。大容量的NAND Flash特別適合現在數碼設備中大數據量的存儲攜帶,可以降低成本,提高性能[1]。

1.1　NAND Flash和NOR Flash的區別

1.1.1　接口差別

NOR Flash帶有SRAM接口，有足夠的地址引腳來尋址，可以直接和CPU相連，CPU可以直接通過地址總線對NOR Flash進行訪問,可以很容易地存取其內部的每一個字節。

NAND Flash器件使用復雜的I/O口來串行地存取數據，只能通過I/O接口發送命令和地址，對NAND Flash內部數據進行訪問。各個產品或廠商的方法可能各不相同。8個引腳用來傳送控制、地址和數據信息。NAND Flash讀/寫操作采用512或2 048字節的頁。

NOR Flash是并行訪問，NAND Flash是串行訪問，所以相對來說，前者的速度更快些。

1.1.2　容量和成本

NOR Flash的成本相對高，容量相對小，常見的有128 KB、256 KB、1 MB、2 MB等；優點是讀寫數據時，不容易出錯。所以在應用領域方面，NOR Flash比較適合應用于存儲少量的代碼。

NAND Flash的單元尺寸幾乎是NOR Flash器件的一半，由于生產過程更為簡單，也就相應地降低了價格。容量比較大，由于價格便宜，更適合存儲大量的數據。

1.1.3　可靠性和耐用性

采用Flash介質時一個需要重點考慮的問題是可靠性。對于需要擴展MTBF的系統來說，Flash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 Flash和NAND Flash的可靠性。壽命(耐用性)在NAND Flash閃存中每個塊的最大擦寫次數是一百萬次，而NOR Flash的擦寫次數是十萬次。NAND Flash除了具有10∶1的塊擦除周期優勢，典型的NAND Flash塊尺寸要比NOR器件小8倍，每個NAND Flash塊在給定的時間內的刪除次數要少一些。

1.1.4　位反轉

NAND Flash和NOR Flash都可能發生比特位反轉（但NAND Flash反轉的幾率遠大于NOR Flash），因此這兩者都必須進行ECC操作；NAND Flash可能會有壞塊（出廠時廠家會對壞塊做標記），在使用過程中也還有可能會出現新的壞塊，因此NAND Flash驅動必須對壞塊進行管理。

位反轉對于用NAND Flash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、配置文件或其他敏感信息時，必須使用EDC/ECC系統以確?？煽啃?。壞塊處理NAND Flash器件中的壞塊是隨機分布的。NAND Flash器件需要對介質進行初始化掃描來發現壞塊，并將壞塊標記為不可用。

1.1.5　易于使用

NAND Flash不能在片內運行程序，而NOR Flash可以。但目前很多CPU都可以在上電時以硬件的方式先將NAND Flash的第一個BLOCk中的內容（一般是程序代碼，也許不足一個Block，如2 KB大小）自動拷貝到RAM中，然后再運行。因此，只要CPU支持，NAND Flash也可以當成啟動設備。由于需要I/O接口，NAND Flash要復雜得多。各種NAND Flash器件的存取方法因廠家而異。在使用NAND Flash器件時，必須先寫入驅動程序，才能繼續執行其他操作。

1.2　NAND Flash的存儲結構

大多數的NAND Flash都大同小異，所不同的只是該NAND Flash芯片的容量大小和讀寫速度等基本特性。

塊Block是NAND Flash的擦除操作的基本/最小單位。頁是讀寫操作的基本單位。

每一個頁，對應還有一塊區域，叫做空閑區域/冗余區域，而在Linux系統中，一般叫做OOB（Out Of Band）[2]。這個區域最初基于NAND Flash的硬件特性，數據在讀寫時候相對容易出錯，所以為了保證數據的正確性，必須要有對應的檢測和糾錯機制，此機制被叫做EDC(Error Detection Code)/ECC（Error Code Correction)。所以設計了多余的區域，用于放置數據的校驗值。OOB的讀寫操作一般是隨著頁的操作一起完成的，即讀寫頁的時候，對應地就讀寫了OOB。OOB的主要用途： 標記是否是壞塊，存儲ECC數據，存儲一些和文件系統相關的數據。

1.3　NAND Flash的接口控制設計

系統中選用的NAND Flash為海力士半導體公司(Hynix)的H27U1G8F2B[3]，它是一個1 GB的內存，每頁的大小為2 112字節（2048＋64備用），每個塊的大小為128K+4K備用字節。H27U1G8F2B的8個I/O引腳是地址復用的，這樣可以減少引腳數，并方便系統升級，閃存的電源為33 V。NAND Flash H27U1G8F2B的接口控制電路如圖1所示。

圖1　NAND Flash控制電路

由于NAND Flash只有8個I/O引腳，而且是復用的，既可以傳數據，也可以傳地址、命令。設計命令鎖存使能(Command Latch Enable, CLE) 和 地址鎖存使能(Address Latch Enable，ALE)，就是先要發一個CLE（或ALE）命令，告訴NAND Flash的控制器一聲，下面要傳的是命令（或地址）。這樣，NAND Flash內部才能根據傳入的內容，進行對應的動作。相對于并口的NOR Flash的48或52個引腳來說，大大減小了引腳數目，這樣封裝后的芯片體積小。同時，減少了芯片接口，使用此芯片的相關的外圍電路會更簡化，避免了繁瑣的硬件連線。

2　軟件設計

2.1　NAND Flash的讀寫控制

Linux MTD[4]對NAND Flash芯片的讀寫主要分三部分：

① struct mtd_info中的讀寫函數，如read、write_oob等，這是MTD原始設備層與Flash硬件層之間的接口。

② struct nand_ecc_CTRl中的讀寫函數，如read_page_raw、write_page等，主要用來做一些與ECC有關的操作。

③ struct nand_Chip中的讀寫函數，如read_buf、cmdfunc等，與具體的NAND controller相關，就是這部分函數與硬件的交互。

這三部分讀寫函數是相互配合著完成對NAND Flash芯片的讀寫的。首先，MTD上層需要讀寫NAND Flash芯片時，會調用struct mtd_info中的讀寫函數；接著，struct mtd_info中的讀寫函數就會調用struct nand_chip或struct nand_ecc_ctrl中的讀寫函數；最后，若調用的是struct nand_ecc_ctrl中的讀寫函數，那么它又會接著調用struct nand_chip中的讀寫函數。讀寫相關函數如圖2所示。

2.2　NAND Flash的讀頁流程

2.2.1　讀頁時序

讀頁流程如圖3所示。可以看到如果要實現讀一個頁的數據，就要發送Read的命令，而且是分兩個周期，即分兩次發送對應的命令。第一次是00h,第二次是30h，而兩次命令中間，需要發送對應的你所要讀取的頁的地址。 圖4為讀頁時序。