NAND FLASH驱动程序实现的三个具体方面分析

1 引言

随着U盘、数码相机、mp3音乐播放器等移动设备的广泛应用，FLASH存储器已经逐步取代其它半导体存储元件，成为嵌入式系统中主要数据和程序的载体。NAND FLASH是一种可在线多次擦除的非易失性存储器，其结构提供了极高的单元密度，可以达到数据的高密度存储，并且写入和擦除的速度也很快，所以 NAND FLASH是高密度数据存储的理想［2］ 。本文主要从物理层，逻辑层和驱动文件系统接口层三个方面具体分析NAND FLASH驱动程序的实现。

2 物理层驱动实现

NAND芯片的存储空间是按照块和页的概念来组织的。现在市面上的NAND主要按大页和小页两种存储类型来进行数据管理。本文采用的NAND型号是K9F1G08X0A，该NAND为大页结构，即芯片每块（）有64页（Page），每页有2K 的数据存储区和64的冗余数据区（用来存放ECC校验码）。2K 的数据存储区作为数据缓冲单元，用来实现I/0缓冲和存储器之间的数据传输。芯片的存储阵列组织如图１所示。

NAND FLASH的物理层驱动主要涉及到：NAND的初始化（ID以及相关属性信息的读取）、擦除（以块作为单位），数据读写（以页作为基本单位）。在这一系列的过程中，会涉及到NAND命令的发送以及NAND地址的发送。其中地址的发送会因NAND型号的不同而有所区别。一般来说，小页的NAND其地址周期通常为4个：1个列地址（Column Address）和3个行地址（Row Address），而对大页的NAND来说，列地址至少是2个周期，行地址会因芯片的容量大小而有所区别。本文采用的三星NAND芯片是２个列地址和２个行地址。对于NAND FLASH 来讲，地址和命令只能在I/O［7:0］上并行传递。NAND FLASH 以页为单位读写数据，而以块为单位擦除数据。NAND的数据传输方式有基本的I/O传输方式，即在I/O［7:0］数据线上进行的数据传输。这种操作的缺点是系统CPU要频繁参与控制数据的传输，会影响到数据传输速度。本文采用DMA传输方式，数据宽度是8/16/32bit，通过中断的形式通知CPU数据的传输情况，DMA传输主要涉及DMA 控制器的配置以及通道的选择。

3 逻辑层驱动实现以及坏块管理机制

3.1 逻辑基本读写操作

驱动逻辑层的主要任务是整合物理层的驱动，并为文件系统驱动层提供接口。在该层中主要涉及的操作包括NAND 的逻辑读、写以及擦除。逻辑层对NAND 的操作都是以块（）作为单位来进行操作的。因此须在逻辑层中构建一个块缓存（ Buffer）来临时存放读出/写入NAND 的数据。这样，NAND 的读取机制分为两种：页读取（Page ）和块读取（Block）。在页读取时，通过坏块表进行索引指定块（Block）和页（Page）来进行数据读操作，而块读取时则是通过整合页读取时的缓存数据，把NAND 的数据以块的形式进行缓存（BlockBuffer）。NAND 的写入机制不像其它的FLASH 器件，NAND 要求在写入数据时，首先必须进行数据的擦除。因此我们在写数据的时候，先把将要被写入的数据块的内容读出到块缓存，然后再把要写入NAND 的数据以页为单位的形式写入块缓存（Block Buffer）中的对应地址。接着把以前存放数据的块进行擦除操作，最后把更新的数据写到NAND 去。经过这一系列的操作，实现了NAND 数据的逻辑写入。图2 说明了一次写操作的具体流程。

3.2 坏块管理机制的原理及实现

NAND 由于采用了高密集的存储单元，在使用过程中难免会损坏一些存储单元，这就是我们所说的坏块［3］。数据操作时应该避免对这些坏块进行操作，否则会引起数据的错误。

一般而言，NAND 的第0 块常被用来作为程序的引导区，因此NAND 芯片厂商会保证第0块不会成为坏区。而作为0 块以后的数据存储块，当坏块产生时，系统级的设计必须能够用地址映射把这些坏块屏蔽掉。芯片在出厂时，除保存坏块信息的区域外，部分一律被擦除（值为0xFF），对坏块的读操作是允许的，但不推荐进行写和擦除操作，以免由于结构方面的原因使邻近的块也失效。系统设计时必须根据初始的坏块信息识别出坏块，并建立坏块列表。进行写或擦除操作时将欲操作块的地址与坏块地址表的地址相比较，若是坏块则应跳过。芯片在使用过程中，可能有新坏块的产生，为了系统的可靠性，必须对此情况加以考虑。

在数据写入或块擦除操作后，如果读状态寄存器出现错误，则表示块内有坏页存在，也即表明此块已坏，因为块内坏页的存在并不影响页的读写，这时可采用块操作来把页内有用数据转移到空闲块内，并把坏块信息存入坏块表中。因此，当我们在格式化NAND的时候，要给出一定的区域用来存放坏块索引表和坏块表。考虑到一个块（Block）的大小为128KB，而现在市面上的一般的NAND的容量大小为128MB-2GB不等。故分配10 个块（Block）来进行存储。由于第0 块为用户不可见块，实际要求为1-11 块作为存储空间。图 3 表明了如何建立坏块索引表和坏块表的流程。

其中，在坏块索引（BBTINDEX）中，整型变量bitIsBadBlock 中的每一个bit，标记一个块的状态（1 表示坏块，0 表示好块），在ARM 体系中，可以标记32 个块。该区域被称为一个索引区域。整型变量mPosInBBT 表示如果有坏块，则表示索引区域在坏块表中的偏移。

这样通过定义一个索引tableTopPos 变量，来指示下一个坏块在数组中的位置。同样在坏块表（BBTENTRY）中，整型变量mBadBlock 标志块是坏块，而mReplaceBlock 变量则表示该坏块在备份区中对应的可以的好块。这样通过定义一个索引bakupTopPos 变量，来指示下一个坏块在备用区的位置。通过结合坏块索引和坏块表，可以对数据进行准确的操作，而每次对NAND 操作完成后，及时地更新坏块索引和坏块表。

4 文件系统层的接口实现

现在一般对NAND 支持的文件系统用的最多的是YAFFS 文件系统。本文由于基于的操作系统平台是uC/OS，故采用了uC/FS 文件系统作为NAND 的文件驱动接口，uC/FS 文件系统进行的操作都是基于FAT 文件格式的。对用户来说，所用对NAND 的操作，都是通过文件接口层来完成的。文件接口层对数据的操作都是以扇区（Sector）来进行的。因此，文件接口层的主要任务是把从逻辑层的逻辑操作转化为以扇区（Sector）为单位的操作，文件系统的接口函数主要通过一个结构体 （FS___）来进行描述［4］，该结构体包含了驱动设备的名称以及4 个基本的驱动设备挂接函数的函数指针。

在这几个函数中，dev_status（）函数主要实现FAT 表状态信息的读取，并表明该NAND 设备可以使用；dev_（）函数实现对NAND 进行文件系统块数据的读取；dev_write（）函数实现对NAND 进行文件系统块数据的写入；dev_（）函数则主要实现文件操作的相关指令，包括文件格式化，数据cache 回写等操作。通过这几个文件接口函数，用户可以实现对NAND 进行的数据基本操作。

其中，mCache 数组大小为数据读取时的存储大小，由NAND 的文件系统遵循 标准决定，大小为512Byte；mTimes 表示被Cache 的块（Sector）的命中次数，反映了数据块的存取几率；mSectorId 表示被Cache 块（Sector）的序号，通过该序号来对Cache 的数据块进行索引。

5 总结

对大容量的 NAND FLASH 进行数据操作，坏块处理机制是很重要的，通过建立坏块处理表，避免了对无效块进行的操作，提高了数据的准确性。另外，ECC 作为NAND 纠错机制，在NAND 驱动中也广泛运用，本文的NAND 驱动中也加入了ECC 机制，由于篇幅有限，不对其进行深入探讨。