Nand Flash基礎知識與壞塊管理機制的研究

概述

Flash名稱的由來，Flash的擦除操作是以block塊爲單位的，與此相對應的是其他很多存儲設備，是以bit位爲最小讀取/寫入的單位，Flash是一次性地擦除整個塊：在發送一個擦除命令後，一次性地將一個block，常見的塊的大小是128KB/256KB，全部擦除爲1，也就是裏面的內容全部都是0xFF了，由於是一下子就擦除了，相對來說，擦除用的時間很短，可以用一閃而過來形容，所以，叫做Flash Memory。所以一般將Flash翻譯爲 （快速）閃存。

NAND Flash 在嵌入式系統中有着廣泛的應用，負載平均和壞塊管理是與之相關的兩個核心議題。Uboot 和 Linux 系統對 NAND 的操作都封裝了對這兩個問題的處理方法。 本文首先講述Nandflash基礎知識，然後介紹現有的幾類壞塊管理（BBM）方法，通過分析典型嵌入式系統的 NAND 存儲表，指出了輕量級管理方法的優勢所在，分析了當前廣泛使用的輕量級管理方法，指出其缺陷所在並詳細說明了改進方法。

基礎知識

Flash的硬件實現機制

Flash的內部存儲是MOSFET，裏面有個懸浮門(Floating Gate)，是真正存儲數據的單元。

在Flash之前，紫外線可擦除(uv-erasable)的EPROM，就已經採用了Floating Gate存儲數據這一技術了。

典型的Flash內存物理結構

數據在Flash內存單元中是以電荷(electrical charge) 形式存儲的。存儲電荷的多少，取決於圖中的外部門（external gate）所被施加的電壓，其控制了是向存儲單元中衝入電荷還是使其釋放電荷。而數據的表示，以所存儲的電荷的電壓是否超過一個特定的閾值Vth來表示，因此，Flash的存儲單元的默認值，不是0（其他常見的存儲設備，比如硬盤燈，默認值爲0），而是1，而如果將電荷釋放掉，電壓降低到一定程度，表述數字0。

NandFlash的簡介

Nand flash成本相對低，說白了就是便宜，缺點是使用中數據讀寫容易出錯，所以一般都需要有對應的軟件或者硬件的數據校驗算法，統稱爲ECC。但優點是，相對來說容量比較大，現在常見的Nand Flash都是1GB，2GB，更大的8GB的都有了，相對來說，價格便宜，因此適合用來存儲大量的數據。其在嵌入式系統中的作用，相當於PC上的硬盤，用於存儲大量數據。

SLC和MLC

Nand Flash按照內部存儲數據單元的電壓的不同層次，也就是單個內存單元中，是存儲1位數據，還是多位數據，可以分爲SLC和MLC。那麼軟件如何識別系統上使用過的SLC還是MLC呢？
Nand Flash設計中，有個命令叫做Read ID，讀取ID，讀取好幾個字節，一般最少是4個，新的芯片，支持5個甚至更多，從這些字節中，可以解析出很多相關的信息，比如此Nand Flash內部是幾個芯片（chip）所組成的，每個chip包含了幾片（Plane），每一片中的頁大小，塊大小，等等。在這些信息中，其中有一個，就是識別此flash是SLC還是MLC。

 oob / Redundant Area / Spare Area

每一個頁，對應還有一塊區域，叫做空閒區域（spare area）/冗餘區域（redundant area），而Linux系統中，一般叫做OOB（Out Of Band），這個區域，是最初基於Nand Flash的硬件特性：數據在讀寫時候相對容易錯誤，所以爲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, 或者 Error Checking and Correcting），所以設計了多餘的區域，用於放置數據的校驗值。

Oob的讀寫操作，一般是隨着頁的操作一起完成的，即讀寫頁的時候，對應地就讀寫了oob。

關於oob具體用途，總結起來有：

1. 標記是否是壞快
2. 存儲ECC數據
3. 存儲一些和文件系統相關的數據。如jffs2就會用到這些空間存儲一些特定信息，而yaffs2文件系統，會在oob中，存放很多和自己文件系統相關的信息。

Bad Block Management壞塊管理

Nand Flash由於其物理特性，只有有限的擦寫次數，超過那個次數，基本上就是壞了。在使用過程中，有些Nand Flash的block會出現被用壞了，當發現了，要及時將此block標註爲壞塊，不再使用。於此相關的管理工作，屬於Nand Flash的壞塊管理的一部分工作。

Wear-Leveling負載平衡

Nand Flash的block管理，還包括負載平衡。

正是由於Nand Flash的block，都是有一定壽命限制的，所以如果你每次都往同一個block擦除然後寫入數據，那麼那個block就很容易被用壞了，所以我們要去管理一下，將這麼多次的對同一個block的操作，平均分佈到其他一些block上面，使得在block的使用上，相對較平均，這樣相對來說，可以更能充分利用Nand Flash。

 ECC錯誤校驗碼

Nand Flash物理特性上使得其數據讀寫過程中會發生一定機率的錯誤，所以要有個對應的錯誤檢測和糾正的機制，於是纔有此ECC，用於數據錯誤的檢測與糾正。Nand Flash的ECC，常見的算法有海明碼和BCH，這類算法的實現，可以是軟件也可以是硬件。不同系統，根據自己的需求，採用對應的軟件或者是硬件。

相對來說，硬件實現這類ECC算法，肯定要比軟件速度要快，但是多加了對應的硬件部分，所以成本相對要高些。如果系統對於性能要求不是很高，那麼可以採用軟件實現這類ECC算法，但是由於增加了數據讀取和寫入前後要做的數據錯誤檢測和糾錯，所以性能相對要降低一些，即Nand Flash的讀取和寫入速度相對會有所影響。

其中，Linux中的軟件實現ECC算法，即NAND_ECC_SOFT模式，就是用的對應的海明碼。

而對於目前常見的MLC的Nand Flash來說，由於容量比較大，動輒2GB，4GB，8GB等，常用BCH算法。BCH算法，相對來說，算法比較複雜。

筆者由於水平有限，目前仍未完全搞懂BCH算法的原理。

BCH算法，通常是由對應的Nand Flash的Controller中，包含對應的硬件BCH ECC模塊，實現了BCH算法，而作爲軟件方面，需要在讀取數據後，寫入數據之前，分別操作對應BCH相關的寄存器，設置成BCH模式，然後讀取對應的BCH狀態寄存器，得知是否有錯誤，和生成的BCH校驗碼，用於寫入。

其具體代碼是如何操作這些寄存器的，由於是和具體的硬件，具體的nand flash的controller不同而不同，無法用同一的代碼。如果你是nand flash驅動開發者，自然會得到對應的起nand flash的controller部分的datasheet，按照手冊說明，去操作即可。

不過，額外說明一下的是，關於BCH算法，往往是要從專門的做軟件算法的廠家購買的，但是Micron之前在網上放出一個免費版本的BCH算法。

位反轉

Nand Flash的位反轉現象，主要是由以下一些原因/效應所導致：

1. 漂移效應（Drifting Effects）

   漂移效應指的是，Nand Flash中cell的電壓值，慢慢地變了，變的和原始值不一樣了。

2. 編程干擾所產生的錯誤（Program-Disturb Errors）

   此現象有時候也叫做，過度編程效應（over-program effect）。

   對於某個頁面的編程操作，即寫操作，引起非相關的其他的頁面的某個位跳變了。

3. 讀操作干擾產生的錯誤（Read-Disturb Errors）

   此效應是，對一個頁進行數據讀取操作，卻使得對應的某個位的數據，產生了永久性的變化，即Nand Flash上的該位的值變了。

對應位反轉的類型，Nand Flash位反轉的類型和解決辦法，有兩種：

1. 一種是nand flash物理上的數據存儲的單元上的數據，是正確的，只是在讀取此數據出來的數據中的某位，發生變化，出現了位反轉，即讀取出來的數據中，某位錯了，本來是0變成1，或者本來是1變成0了。此處可以成爲軟件上位反轉。此數據位的錯誤，當然可以通過一定的校驗算法檢測並糾正。
2. 另外一種，就是nand flash中的物理存儲單元中，對應的某個位，物理上發生了變化，原來是1的，變成了0，或原來是0的，變成了1，發生了物理上的位的數據變化。此處可以成爲硬件上的位反轉。此錯誤，由於是物理上發生的，雖然讀取出來的數據的錯誤，可以通過軟件或硬件去檢測並糾正過來，但是物理上真正發生的位的變化，則沒辦法改變了。不過個人理解，好像也是可以通過擦除Erase整個數據塊Block的方式去擦除此錯誤，不過在之後的Nand Flash的使用過程中，估計此位還是很可能繼續發生同樣的硬件的位反轉的錯誤。

以上兩種類型的位反轉，其實對於從Nand Flash讀取出來的數據來說，解決其中的錯誤的位的方法，都是一樣的，即通過一定的校驗算法，常稱爲ECC，去檢測出來，或檢測並糾正錯誤。

如果只是單獨檢測錯誤，那麼如果發現數據有誤，那麼再重新讀取一次即可。

實際中更多的做法是，ECC校驗發現有錯誤，會有對應的算法去找出哪位錯誤並且糾正過來。

其中對錯誤的檢測和糾正，具體的實現方式，有軟件算法，也有硬件實現，即硬件Nand Flash的控制器controller本身包含對應的硬件模塊以實現數據的校驗和糾錯的。

Nand Flash引腳功能的中文說明

引腳名稱	引腳功能
I/O0 ~ I/O7	用於輸入地址/數據/命令，輸出數據
CLE	Command Latch Enable，命令鎖存使能，在輸入命令之前，要先在模式寄存器中，設置CLE使能
ALE	Address Latch Enable，地址鎖存使能，在輸入地址之前，要先在模式寄存器中，設置ALE使能
CE#	Chip Enable，芯片使能，在操作Nand Flash之前，要先選中此芯片，才能操作
RE#	Read Enable，讀使能，在讀取數據之前，要先使CE＃有效。
WE#	Write Enable，寫使能, 在寫取數據之前，要先使WE＃有效
WP#	Write Protect，寫保護
R/B#	Ready/Busy Output,就緒/忙,主要用於在發送完編程/擦除命令後,檢測這些操作是否完成,忙,表示編程/擦除操作仍在進行中,就緒表示操作完成
Vcc	Power，電源
Vss	Ground，接地
N.C	Non-Connection,未定義，未連接

在數據手冊中，你常會看到，對於一個引腳定義，有些字母上面帶一橫槓的，那是說明此引腳/信號是低電平有效，比如你上面看到的RE頭上有個橫線，就是說明，此RE是低電平有效，此外，爲了書寫方便，在字母后面加“＃”，也是表示低電平有效，比如我上面寫的CE＃；如果字母頭上啥都沒有，就是默認的高電平有效，比如上面的CLE，就是高電平有效。

Nand Flash的一些typical特性

1. 頁擦除時間是200us，有些慢的有800us
2. 塊擦除時間是1.5ms
3. 頁數據讀取到數據寄存器的時間一般是20us
4. 串行訪問（Serial access）讀取一個數據的時間是25ns，而一些舊的Nand Flash是30ns，甚至是50ns
5. 輸入輸出端口是地址和數據以及命令一起multiplex複用的
6. Nand Flash的編程/擦除的壽命：即，最多允許10萬次的編程/擦除，達到和接近於之前常見的Nor Flash，幾乎是同樣的使用壽命了。
7. 封裝形式：48引腳的TSOP1封裝 或 52引腳的ULGA封裝

Nand Flash控制器與Nand Flash芯片

我們寫驅動，是寫Nand Flash 控制器的驅動，而不是Nand Flash 芯片的驅動，因爲獨立的Nand Flash芯片，一般來說，是很少直接拿來用的，多數都是硬件上有對應的硬件的Nand Flash的控制器，去操作和控制Nand Flash，包括提供時鐘信號，提供硬件ECC校驗等等功能，我們所寫的驅動軟件，是去操作Nand Flash的控制器

然後由控制器去操作Nand Flash芯片，實現我們所要的功能。

由於Nand Flash讀取和編程操作來說，一般最小單位是頁，所以Nand Flash在硬件設計時候，就考慮到這一特性，對於每一片（Plane），都有一個對應的區域專門用於存放，將要寫入到物理存儲單元中去的或者剛從存儲單元中讀取出來的，一頁的數據，這個數據緩存區，本質上就是一個緩存buffer，但是隻是此處datasheet裏面把其叫做頁寄存器page register而已，實際將其理解爲頁緩存，更貼切原意。

而正是因爲有些人不瞭解此內部結構，才容易產生之前遇到的某人的誤解，以爲內存裏面的數據，通過Nand Flash的FIFO，寫入到Nand Flash裏面去，就以爲立刻實現了實際數據寫入到物理存儲單元中了，而實際上只是寫到了這個頁緩存中，只有當你再發送了對應的編程第二階段的確認命令，即0x10，之後，實際的編程動作纔開始，纔開始把頁緩存中的數據，一點點寫到物理存儲單元中去。

數據的流向如圖

壞塊的標記

具體標記的地方是，對於現在常見的頁大小爲2K的Nand Flash，是塊中第一個頁的oob起始位置的第1個字節（舊的小頁面，pagesize是512B甚至256B的Nand Flash，壞塊標記是第6個字節），如果不是0xFF，就說明是壞塊。相對應的是，所有正常的塊，好的塊，裏面所有數據都是0xFF的。

對於壞塊的標記，本質上，也只是對應的flash上的某些字節的數據是非0xFF而已，所以，只要是數據，就是可以讀取和寫入的。也就意味着，可以寫入其他值，也就把這個壞塊標記信息破壞了。對於出廠時的壞塊，一般是不建議將標記好的信息擦除掉的。

uboot中有個命令是

nand scrub

就可以將塊中所有的內容都擦除了，包括壞塊標記，不論是出廠時的，還是後來使用過程中出現而新標記的。

nand erase

只擦除好的塊，對於已經標記壞塊的塊，不要輕易擦除掉，否則就很難區分哪些是出廠時就壞的，哪些是後來使用過程中用壞的了。

NAND 壞塊管理方法分類

目前，NAND 壞塊管理方法可分爲如下幾類：

• 基於 FTL 芯片的壞塊管理

  它使用一個額外的 FTL (Flash Translation Layer)芯片對 NAND 進行管理，對外部屏蔽了壞塊信息，U 盤、SD 卡、MMC 卡以及固態硬盤都使用這種管理方法。這種方式簡化了 NAND 操作，但也使壞塊信息對外部而言不可見，如果系統中出現了可能和壞塊相關的問題，定位和調試變得困難，另外，FTL 芯片也需要額外的硬件成本。

• 基於NAND 文件系統的壞塊管理

  JFFS2、 YAFFS2、 FlashFx 這些專門針對 NAND 的文件系統可以對壞塊進行管理。

• NAND 管理中間件

  有一些中間件(Middleware)專門用於 NAND 管理，比如 UBI。

• 輕量級 NAND 壞塊管理

  對 NAND 進行管理的硬件或軟件模塊，不僅提供壞塊管理，同時也支持對 NAND 的擦寫操作進行負載平均。而輕量級的壞塊管理只專注於壞塊，並不提供擦寫負載平均的支持，而且，它也不依賴於任何第三方的庫。因此，輕量級的壞塊管理方式降低了系統的複雜度，而且免去了加載文件系統或初始化中間件的時間，在嵌入式系統中有着廣泛的應用。

圖 1 展示了幾種典型的嵌入式系統中 NAND 內部的內容佈局。如果需要頻繁地對 NAND 寫入各種數據，最好使用 NAND 文件系統或者 NAND 管理中間件對需要寫入的區域進行管理。而那些很少需要更新的區域，比如 bootloader、VPD 和 Kernel，只需進行輕量級的壞塊管理，不需要進行負載平均。很多的嵌入式系統中，需要寫入 NAND 的數據量很少，頻度也較低，比如路由器、打印機、PLC 等，這些系統完全可以僅使用輕量級的壞塊管理方式。

典型嵌入式系統的 Nand Memory MaP

Uboot 的輕量級壞塊管理方法

NAND 壞塊管理都是基於壞塊表(BBT)的，通過這張表來標識系統中的所有壞塊。所以，不同的管理方法之間的差異可以通過以下幾個問題來找到答案。

• 如何初始化和讀取壞塊表？
• 產生新的壞塊時，如何標記並更新壞塊表？
• 如何保存壞塊表？是否有保存時斷電保護機制?
• 對 NAND 寫入數據時，如果當前塊是壞塊，如何找到可替換的好塊？

Uboot 是目前使用最爲廣泛的 bootloader，它提供了兩種輕量級壞塊管理方法，可稱之爲基本型和改進型。通過下表，我們可以看到兩者的差異。

 Uboot 的兩種壞塊管理方法對比

	基本型	改進型
初始化、讀取 BBT	系統每次初始化時，掃描整個 NAND，讀取所有塊的出廠壞塊標誌，建立 BBT，佔用較多啓動時間。	系統第一次初始化時，掃描整清單 1. BBM 頭信個 NAND 建立 BBT。之後每次初始化時，掃描 BBT 所在區域，如果發現當前塊的簽名和壞塊表的簽名(一個特定的字符串)相符，就讀取當前塊的數據作爲 BBT。
更新 BBT	擦寫操作產生新的壞塊時，更新內存中的 BBT，同時將壞塊的出廠壞塊標記從 0xFF 改爲 0x00。 擦寫出錯後仍然對壞塊進行操作—更改出廠壞塊標記，存在安全風險。而且，也無法區分哪些是出廠壞塊，哪些是使用過程中產生的壞塊。	擦寫操作產生新的壞塊時，更新內存中的 BBT，同時將更新後的 BBT 立刻寫入 NAND 或其他 NVRAM 中。
保存 BBT	不保存	在 NAND 或其他 NVRAM 中保存一份，無掉電保護機制。
壞塊替換方法	如果當前塊是壞塊，將數據寫入下一個塊。	如果當前塊是壞塊，將數據寫入下一個塊。

雖然 uboot 的改進型壞塊管理方法的做了一些改進，但它仍然有三個主要的缺點。

1. 出現壞塊，則將數據順序寫入下一個好塊。如果 NAND 中存放了多個軟件模塊，則每個模塊都需要預留一個較大的空間作爲備用的好塊，這會浪費較多的 NAND 空間。通常，每個模塊預留的備用好塊數爲 NAND 芯片所允許的最大壞塊數，該值因不同的芯片而有所不同，典型值爲 20 或 80。假設 NAND 是大頁類型，總共有 N 個模塊，則總共需要預留的空間大小爲 N*80*128KB。
2. 讀取 BBT 時僅檢查簽名，沒有對 BBT 的數據做校驗。
3. 沒有掉電保護機制。如果在保存 BBT 時斷電，BBT 將丟失。

改進的輕量級壞塊管理方法

針對現有管理方法的缺陷，本文提出了一種更加安全高效的管理方法，將從以下三個方面闡述其實現原理。

共用好塊池機制

首先，使用一個統一的備用好塊池，爲所有存放在 NAND 中的模塊提供可替換的好塊。這樣，就不需要在每個模塊後面放置一個保留區，提高了 NAND 的空間利用率。

共用好塊池示意圖

爲了實現共用好塊池，需要建立一個從壞塊到好塊的映射，所以，除了 BBT 之外，還需定義一個替換表(SBT)。這樣一來，當讀第 i 個塊的數據時，如果發現 BBT 中記錄該塊爲壞塊，就去 SBT 中查詢其替換塊；如果寫第 i 個塊出錯，需要在 BBT 中標記該塊爲壞塊，同時從好塊池中獲取一個新的好塊，假設其序號爲 j，然後將此好塊的序號 j 寫入 SBT 中的第 i 個字節，而且 SBT 的第 j 個字節寫序號 i。SBT 中的這種雙向映射可確保數據的可靠性。此外，好塊池中的塊也有可能成爲壞塊，如果掃描時發現是壞塊，則將 SBT 中的對應位置標記爲 0x00，如果是在寫的過程中出錯，則除了在 SBT 對應位置標記 0x00 之外，還要更新雙向映射數據。

 BBT/SBT 映射示意圖

安全的 BBT/SBT 數據校驗機制

傳統方法僅檢查 BBT 所在塊的簽名，將讀到的前幾個字節和一個特徵字符串進行比較，如果一致，就認爲當前塊的數據爲 BBT，然後讀取接下來的 BBT 數據，但並不對 BBT 的數據做校驗。如果 BBT 保存在 NAND 中，數據的有效性是可以得到驗證的，因爲 NAND 控制器或驅動一般都會對數據做 ECC 校驗。但是，大多數控制器使用的 ECC 算法也僅僅能糾正一個 bit、發現 2 兩個 bit 的錯誤。如果 BBT 保存在其他的沒有 ECC 校驗機制的存儲體中，比如 NOR Flash，沒有對 BBT 的數據進行校驗顯然是不安全的。

爲了更加可靠和靈活地驗證 BBT/SBT 數據，定義下面這個結構體來描述 BBM 信息。

BBM 頭信息

typedef struct {
UINT8     acSignature[4];/* BBM 簽名 */
UINT32    ulBBToffset;/* BBT 偏移 */
UINT32    ulSBToffset;/* SBT 偏移 */
UINT16    usBlockNum;/* BBM 管理的 block 數目 */    
UINT16    usSBTstart;/* SBT 所在位置的起始 block 序號 */
UINT16    usSBtop;/* SBT top block */
UINT16    usSBnum;/* SBT number */
UINT32    ulBBTcrc;/* BBT 數據 CRC 校驗碼 */
UINT32    ulSBTcrc;/* SBT 數據 CRC 校驗碼 */
UINT32    ulHeadcrc;/* BBM 頭信息 CRC 校驗碼 */
} BBM_HEAD

BBT/SBT 的保存形式

使用三重 CRC 校驗機制，無論 BBT 保存在哪種存儲體中，都可以更加嚴格地驗證數據的有效性。

安全的掉電保存機制

傳統的方法僅保存一份 BBT 數據，如果在寫 BBT 時系統掉電，則 BBT 丟失，系統將可能無法正常啓動或工作。爲安全起見，本文所述方法將同時保留三個備份，如果在寫某個備份時掉電，則還有兩個完好的備份。最壞的情況是，如果在寫第一個備份時掉電，則當前最新的一個壞塊信息丟失。

讀取壞塊表時，順序讀取三個備份，如果發現三個備份的數據不一致，用記錄的壞塊數最多的備份爲當前的有效備份，同時立刻更新另外兩備份。

總結

本文介紹了NandFlash基礎知識和幾類 NAND 壞塊管理方法，指出了 uboot 的輕量級管理方法的缺陷，提出了一種改進的方法，提高了 NAND 的利用率及壞塊管理的安全性，可對嵌入式開發起到有很好的借鑑作用。