基于Nand+Flash存儲管理在DSP系統(tǒng)中的實現(xiàn)

Nand Flash作為一種安全、快速的存儲體，因其具有體積小、容量大、成本低、掉電數(shù) 據(jù)不丟失等一系列優(yōu)點，已逐步取代其它半導體存儲元件，成為嵌入式系統(tǒng)中數(shù)據(jù)存儲的主要載體。盡管Nand Flash的每個單元塊相互獨立，且每塊一般可擦除次數(shù)高達10～100萬次，但是隨著擦寫次數(shù)增加，會有一些單元塊逐漸變得不穩(wěn)定或失效從而形成永久性壞塊。因此， 要避免頻繁地對同一塊進行操作，盡量達到擦寫次數(shù)均衡；同時，由于擦除操作耗時較多，會對系統(tǒng)的實時性造成影響。為此，本文介紹了一種基于磨損均衡思想的Nand Flash存儲管理方式，并深入討論了該方式在Ti公司的DSP TMS320F28x中的程序實現(xiàn)。

1 器件介紹

本文中采用的Nand Flash芯片K9F6408U0C是一塊擁有8M(8,388,608)×8bit存儲空間及 256K(262，144)×8bit輔用存儲空間的存儲芯片，電源電壓為1.8V－3.3V。芯片內部按塊和頁的方式來組織的，如圖1所示，共分成1024個塊,每塊包含16個頁,每頁內有528個字節(jié)。 F28x系列DSP是美國TI公司最新推出的C2000平臺上的定點DSP芯片。

圖1 K9F6408UOC內部結構示意圖

F28x系列芯片具有 低成本、低功耗和高效能等特點，特別適用于有大量數(shù)據(jù)處理的測控場合。

2 Flash的特點及存儲管理的作用

由K9F6408U0C的基本結構可以知道，它的基本單位有塊、頁、字節(jié)等。 Nand Flash 芯片具有如下特點：

Flash寫：通過寫命令將每個字節(jié)存儲單元中的1變?yōu)?；寫操作不能把0變?yōu)?。

Flash擦除：擦除命令是Flash中存儲單元0變?yōu)?的唯一途徑，一旦對某一塊中的某一位寫0，要再改變成1，則必須執(zhí)行擦除命令。

通常，對于容量較小的Flash塊的操作過程是：先把整個塊的數(shù)據(jù)讀到RAM中，在RAM中修改數(shù)據(jù)內容，再擦除整個塊，最后寫入修改后的數(shù)據(jù)。顯然，這樣頻繁復雜的讀-擦除- 寫操作，對于Flash的使用壽命以及系統(tǒng)性能是很不利的，而且微處理器中通常RAM大小有限。 因此在硬件條件苛刻的嵌入式系統(tǒng)中就迫切需要一種合理的存儲管理方式以便有效地均衡 Flash各個存儲塊的擦寫次數(shù)，提高Flash的使用壽命，從而提高數(shù)據(jù)存儲的安全性。

3 存儲管理系統(tǒng)的設計

3.1建立壞塊管理表

Nand Flash由于生產工藝的問題，不可避免的會存在一些壞塊，這些壞塊在芯片出廠前 都已被標識好。根據(jù)Nand Flash數(shù)據(jù)手冊中的介紹，在每一塊的第一頁與第二頁的Spare area 的第六個字節(jié)（也就是該頁的第517字節(jié)）即是出廠時的壞塊標識位，如果某塊的該兩頁的第517字節(jié)內容不同時為0xFF，則代表該塊為廠家標識壞塊。這種壞塊的檢測必須在對芯 片進行擦除前進行，因為廠家壞塊有可能也能夠被進行擦除操作，如使用這種塊將對數(shù)據(jù)安全留下一定的隱患。

Nand Flash在出廠前會保證每塊芯片的第一塊與第二塊是完好的，所以在本文的設計中，采用的方式是將壞塊管理表存放在第一塊的第一頁的前128個字節(jié)中，每個字節(jié)的一位代表芯片的一塊，如該位為1剛表明該塊是好的，為0則表示對應塊為壞塊。壞塊管理表的建立是必需的，而且最好是在芯片進行其它擦寫操作前進行。

3.2 Flash存儲空間管理

在本文設計的Flash空間管理中，F(xiàn)lash的存儲塊被分為空閑塊（Free，即空白沒寫數(shù)據(jù)的好塊），有效塊（Valid，即存有有效數(shù)據(jù)的塊，不能被擦除），無效塊（Invalid，即數(shù) 據(jù)已無效或是寫入錯誤塊，可被擦除），保留塊（Reserve，用于替換新產生的壞塊），其它的則為壞塊，所有存儲塊的管理均采用單向鏈表方式進行管理。

在大部分的Flash存儲空間管理系統(tǒng)中可能并不存在保留塊，在本系統(tǒng)中增加保留塊的作用主要是，當部分存儲塊因為反復擦寫成為新的壞塊時，可以用保留塊取而代之成為新的空閑塊，從而使得留給用戶的可用存儲塊總數(shù)在一定時期內是一定的，這樣做的優(yōu)點是可以增強數(shù)據(jù)的安全性，延長整個Flash的使用周期，缺點是用戶可用的存儲空間相對減少，不過在Flash芯片技術迅速發(fā)展的今天，大容量的Flash芯片價格已經(jīng)十分低廉，數(shù)據(jù)安全才是嵌入式系統(tǒng)設計最值得重視的。

在本文的設計中，統(tǒng)一規(guī)定Flash每一塊的第一頁的Spare Area為數(shù)據(jù)塊狀態(tài)信息標記區(qū)，具體規(guī)定如表2所示：

根據(jù)上表的設計，塊擦除次數(shù)最大為224 ? 1 = 16777215 ，遠大于Flash的最大擦除次數(shù)10到100萬次；塊狀態(tài)標記字節(jié)，0xFF代表其為空閑塊，0xFD代表其為保留塊，0xFC代表其為有效塊，0xF0代表其為無效塊，0x00則表明當前塊為壞塊，在壞塊管理表中其對應位為0。