概述

Flash名稱的由來，F(xiàn)lash的擦除操作是以block塊為單位的，與此相對(duì)應(yīng)的是其他很多存儲(chǔ)設(shè)備，是以bit位為最小讀取/寫入的單位，F(xiàn)lash是一次性地擦除整個(gè)塊：在發(fā)送一個(gè)擦除命令后，一次性地將一個(gè)block，常見的塊的大小是128KB/256KB，全部擦除為1，也就是里面的內(nèi)容全部都是0xFF了，由于是一下子就擦除了，相對(duì)來說，擦除用的時(shí)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翻譯為 （快速）閃存。

NAND Flash 在嵌入式系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，負(fù)載平均和壞塊管理是與之相關(guān)的兩個(gè)核心議題。Uboot 和 Linux 系統(tǒng)對(duì) NAND 的操作都封裝了對(duì)這兩個(gè)問題的處理方法。本文首先講述Nandflash基礎(chǔ)知識(shí)，然后介紹現(xiàn)有的幾類壞塊管理（BBM）方法，通過分析典型嵌入式系統(tǒng)的 NAND 存儲(chǔ)表，指出了輕量級(jí)管理方法的優(yōu)勢(shì)所在，分析了當(dāng)前廣泛使用的輕量級(jí)管理方法，指出其缺陷所在并詳細(xì)說明了改進(jìn)方法。

基礎(chǔ)知識(shí)

Flash的硬件實(shí)現(xiàn)機(jī)制

Flash的內(nèi)部存儲(chǔ)是MOSFET，里面有個(gè)懸浮門(Floating Gate)，是真正存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的單元。

在Flash之前，紫外線可擦除(uv-erasable)的EPROM，就已經(jīng)采用了Floating Gate存儲(chǔ)數(shù)據(jù)這一技術(shù)了。

典型的Flash內(nèi)存物理結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)在Flash內(nèi)存單元中是以電荷(electrical charge) 形式存儲(chǔ)的。存儲(chǔ)電荷的多少，取決于圖中的外部門（external gate）所被施加的電壓，其控制了是向存儲(chǔ)單元中沖入電荷還是使其釋放電荷。而數(shù)據(jù)的表示，以所存儲(chǔ)的電荷的電壓是否超過一個(gè)特定的閾值Vth來表示，因此，F(xiàn)lash的存儲(chǔ)單元的默認(rèn)值，不是0（其他常見的存儲(chǔ)設(shè)備，比如硬盤燈，默認(rèn)值為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(shù)字0。

NandFlash的簡(jiǎn)介
Nand flash成本相對(duì)低，說白了就是便宜，缺點(diǎn)是使用中數(shù)據(jù)讀寫容易出錯(cuò)，所以一般都需要有對(duì)應(yīng)的軟件或者硬件的數(shù)據(jù)校驗(yàn)算法，統(tǒng)稱為ECC。但優(yōu)點(diǎn)是，相對(duì)來說容量比較大，現(xiàn)在常見的Nand Flash都是1GB，2GB，更大的8GB的都有了，相對(duì)來說，價(jià)格便宜，因此適合用來存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)。其在嵌入式系統(tǒng)中的作用，相當(dāng)于PC上的硬盤，用于存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)。

SLC和MLC

Nand Flash按照內(nèi)部存儲(chǔ)數(shù)據(jù)單元的電壓的不同層次，也就是單個(gè)內(nèi)存單元中，是存儲(chǔ)1位數(shù)據(jù)，還是多位數(shù)據(jù)，可以分為SLC和MLC。那么軟件如何識(shí)別系統(tǒng)上使用過的SLC還是MLC呢？Nand Flash設(shè)計(jì)中，有個(gè)命令叫做Read ID，讀取ID，讀取好幾個(gè)字節(jié)，一般最少是4個(gè)，新的芯片，支持5個(gè)甚至更多，從這些字節(jié)中，可以解析出很多相關(guān)的信息，比如此Nand Flash內(nèi)部是幾個(gè)芯片（chip）所組成的，每個(gè)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(gè)，就是識(shí)別此flash是SLC還是MLC。

oob / Redundant Area / Spare Area

每一個(gè)頁，對(duì)應(yīng)還有一塊區(qū)域，叫做空閑區(qū)域（spare area）/冗余區(qū)域（redundant area），而Linux系統(tǒng)中，一般叫做OOB（Out Of Band），這個(gè)區(qū)域，是最初基于Nand Flash的硬件特性：數(shù)據(jù)在讀寫時(shí)候相對(duì)容易錯(cuò)誤，所以為了保證數(shù)據(jù)的正確性，必須要有對(duì)應(yīng)的檢測(cè)和糾錯(cuò)機(jī)制，此機(jī)制被叫做EDC(Error Detection Code)/ECC（Error Code Correction, 或者 Error Checking and Correcting），所以設(shè)計(jì)了多余的區(qū)域，用于放置數(shù)據(jù)的校驗(yàn)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(shí)候，對(duì)應(yīng)地就讀寫了oob。

關(guān)于oob具體用途，總結(jié)起來有：

標(biāo)記是否是壞快

存儲(chǔ)ECC數(shù)據(jù)

存儲(chǔ)一些和文件系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)。如jffs2就會(huì)用到這些空間存儲(chǔ)一些特定信息，而yaffs2文件系統(tǒng)，會(huì)在oob中，存放很多和自己文件系統(tǒng)相關(guān)的信息。

Bad Block Management壞塊管理

Nand Flash由于其物理特性，只有有限的擦寫次數(shù)，超過那個(gè)次數(shù)，基本上就是壞了。在使用過程中，有些Nand Flash的block會(huì)出現(xiàn)被用壞了，當(dāng)發(fā)現(xiàn)了，要及時(shí)將此block標(biāo)注為壞塊，不再使用。于此相關(guān)的管理工作，屬于Nand Flash的壞塊管理的一部分工作。

Wear-Leveling負(fù)載平衡

Nand Flash的block管理，還包括負(fù)載平衡。

正是由于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(gè)block擦除然后寫入數(shù)據(jù)，那么那個(gè)block就很容易被用壞了，所以我們要去管理一下，將這么多次的對(duì)同一個(gè)block的操作，平均分布到其他一些block上面，使得在block的使用上，相對(duì)較平均，這樣相對(duì)來說，可以更能充分利用Nand Flash。

ECC錯(cuò)誤校驗(yàn)碼

Nand Flash物理特性上使得其數(shù)據(jù)讀寫過程中會(huì)發(fā)生一定幾率的錯(cuò)誤，所以要有個(gè)對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤檢測(cè)和糾正的機(jī)制，于是才有此ECC，用于數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的檢測(cè)與糾正。Nand Flash的ECC，常見的算法有海明碼和BCH，這類算法的實(shí)現(xiàn)，可以是軟件也可以是硬件。不同系統(tǒng)，根據(jù)自己的需求，采用對(duì)應(yīng)的軟件或者是硬件。

相對(duì)來說，硬件實(shí)現(xiàn)這類ECC算法，肯定要比軟件速度要快，但是多加了對(duì)應(yīng)的硬件部分，所以成本相對(duì)要高些。如果系統(tǒng)對(duì)于性能要求不是很高，那么可以采用軟件實(shí)現(xiàn)這類ECC算法，但是由于增加了數(shù)據(jù)讀取和寫入前后要做的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤檢測(cè)和糾錯(cuò)，所以性能相對(duì)要降低一些，即Nand Flash的讀取和寫入速度相對(duì)會(huì)有所影響。

其中，Linux中的軟件實(shí)現(xiàn)ECC算法，即NAND_ECC_SOFT模式，就是用的對(duì)應(yīng)的海明碼。

而對(duì)于目前常見的MLC的Nand Flash來說，由于容量比較大，動(dòng)輒2GB，4GB，8GB等，常用BCH算法。BCH算法，相對(duì)來說，算法比較復(fù)雜。

筆者由于水平有限，目前仍未完全搞懂BCH算法的原理。

BCH算法，通常是由對(duì)應(yīng)的Nand Flash的Controller中，包含對(duì)應(yīng)的硬件BCH ECC模塊，實(shí)現(xiàn)了BCH算法，而作為軟件方面，需要在讀取數(shù)據(jù)后，寫入數(shù)據(jù)之前，分別操作對(duì)應(yīng)BCH相關(guān)的寄存器，設(shè)置成BCH模式，然后讀取對(duì)應(yīng)的BCH狀態(tài)寄存器，得知是否有錯(cuò)誤，和生成的BCH校驗(yàn)碼，用于寫入。

其具體代碼是如何操作這些寄存器的，由于是和具體的硬件，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(qū)動(dòng)開發(fā)者，自然會(huì)得到對(duì)應(yīng)的起nand flash的controller部分的datasheet，按照手冊(cè)說明，去操作即可。

不過，額外說明一下的是，關(guān)于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(wǎng)上放出一個(gè)免費(fèi)版本的BCH算法。

位反轉(zhuǎn)

Nand Flash的位反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，主要是由以下一些原因/效應(yīng)所導(dǎo)致：

漂移效應(yīng)（Drifting Effects）

漂移效應(yīng)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。

編程干擾所產(chǎn)生的錯(cuò)誤（Program-Disturb Errors）

此現(xiàn)象有時(shí)候也叫做，過度編程效應(yīng)（over-program effect）。

對(duì)于某個(gè)頁面的編程操作，即寫操作，引起非相關(guān)的其他的頁面的某個(gè)位跳變了。

讀操作干擾產(chǎn)生的錯(cuò)誤（Read-Disturb Errors）

此效應(yīng)是，對(duì)一個(gè)頁進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取操作，卻使得對(duì)應(yīng)的某個(gè)位的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生了永久性的變化，即Nand Flash上的該位的值變了。

對(duì)應(yīng)位反轉(zhuǎn)的類型，Nand Flash位反轉(zhuǎn)的類型和解決辦法，有兩種：

一種是nand flash物理上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的單元上的數(shù)據(jù)，是正確的，只是在讀取此數(shù)據(jù)出來的數(shù)據(jù)中的某位，發(fā)生變化，出現(xiàn)了位反轉(zhuǎn)，即讀取出來的數(shù)據(jù)中，某位錯(cuò)了，本來是0變成1，或者本來是1變成0了。此處可以成為軟件上位反轉(zhuǎn)。此數(shù)據(jù)位的錯(cuò)誤，當(dāng)然可以通過一定的校驗(yàn)算法檢測(cè)并糾正。

另外一種，就是nand flash中的物理存儲(chǔ)單元中，對(duì)應(yīng)的某個(gè)位，物理上發(fā)生了變化，原來是1的，變成了0，或原來是0的，變成了1，發(fā)生了物理上的位的數(shù)據(jù)變化。此處可以成為硬件上的位反轉(zhuǎn)。此錯(cuò)誤，由于是物理上發(fā)生的，雖然讀取出來的數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤，可以通過軟件或硬件去檢測(cè)并糾正過來，但是物理上真正發(fā)生的位的變化，則沒辦法改變了。不過個(gè)人理解，好像也是可以通過擦除Erase整個(gè)數(shù)據(jù)塊Block的方式去擦除此錯(cuò)誤，不過在之后的Nand Flash的使用過程中，估計(jì)此位還是很可能繼續(xù)發(fā)生同樣的硬件的位反轉(zhuǎn)的錯(cuò)誤。

以上兩種類型的位反轉(zhuǎn)，其實(shí)對(duì)于從Nand Flash讀取出來的數(shù)據(jù)來說，解決其中的錯(cuò)誤的位的方法，都是一樣的，即通過一定的校驗(yàn)算法，常稱為ECC，去檢測(cè)出來，或檢測(cè)并糾正錯(cuò)誤。

如果只是單獨(dú)檢測(cè)錯(cuò)誤，那么如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有誤，那么再重新讀取一次即可。

實(shí)際中更多的做法是，ECC校驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有錯(cuò)誤，會(huì)有對(duì)應(yīng)的算法去找出哪位錯(cuò)誤并且糾正過來。

其中對(duì)錯(cuò)誤的檢測(cè)和糾正，具體的實(shí)現(xiàn)方式，有軟件算法，也有硬件實(shí)現(xiàn)，即硬件Nand Flash的控制器controller本身包含對(duì)應(yīng)的硬件模塊以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和糾錯(cuò)的。

Nand Flash引腳功能的中文說明

Nand Flash的一些typical特性

頁擦除時(shí)間是200us，有些慢的有800us

塊擦除時(shí)間是1.5ms

頁數(shù)據(jù)讀取到數(shù)據(jù)寄存器的時(shí)間一般是20us

串行訪問（Serial access）讀取一個(gè)數(shù)據(jù)的時(shí)間是25ns，而一些舊的Nand Flash是30ns，甚至是50ns

輸入輸出端口是地址和數(shù)據(jù)以及命令一起multiplex復(fù)用的

Nand Flash的編程/擦除的壽命：即，最多允許10萬次的編程/擦除，達(dá)到和接近于之前常見的Nor Flash，幾乎是同樣的使用壽命了。

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(qū)動(dòng)，是寫Nand Flash 控制器的驅(qū)動(dòng)，而不是Nand Flash 芯片的驅(qū)動(dòng)，因?yàn)楠?dú)立的Nand Flash芯片，一般來說，是很少直接拿來用的，多數(shù)都是硬件上有對(duì)應(yīng)的硬件的Nand Flash的控制器，去操作和控制Nand Flash，包括提供時(shí)鐘信號(hào)，提供硬件ECC校驗(yàn)等等功能，我們所寫的驅(qū)動(dòng)軟件，是去操作Nand Flash的控制器

然后由控制器去操作Nand Flash芯片，實(shí)現(xiàn)我們所要的功能。

由于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(shè)計(jì)時(shí)候，就考慮到這一特性，對(duì)于每一片（Plane），都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的區(qū)域?qū)ｉT用于存放，將要寫入到物理存儲(chǔ)單元中去的或者剛從存儲(chǔ)單元中讀取出來的，一頁的數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)緩存區(qū)，本質(zhì)上就是一個(gè)緩存buffer，但是只是此處datasheet里面把其叫做頁寄存器page register而已，實(shí)際將其理解為頁緩存，更貼切原意。

而正是因?yàn)橛行┤瞬涣私獯藘?nèi)部結(jié)構(gòu)，才容易產(chǎn)生之前遇到的某人的誤解，以為內(nèi)存里面的數(shù)據(jù)，通過Nand Flash的FIFO，寫入到Nand Flash里面去，就以為立刻實(shí)現(xiàn)了實(shí)際數(shù)據(jù)寫入到物理存儲(chǔ)單元中了，而實(shí)際上只是寫到了這個(gè)頁緩存中，只有當(dāng)你再發(fā)送了對(duì)應(yīng)的編程第二階段的確認(rèn)命令，即0x10，之后，實(shí)際的編程動(dòng)作才開始，才開始把頁緩存中的數(shù)據(jù)，一點(diǎn)點(diǎn)寫到物理存儲(chǔ)單元中去。

數(shù)據(jù)的流向如圖

壞塊的標(biāo)記

具體標(biāo)記的地方是，對(duì)于現(xiàn)在常見的頁大小為2K的Nand Flash，是塊中第一個(gè)頁的oob起始位置的第1個(gè)字節(jié)（舊的小頁面，pagesize是512B甚至256B的Nand Flash，壞塊標(biāo)記是第6個(gè)字節(jié)），如果不是0xFF，就說明是壞塊。相對(duì)應(yīng)的是，所有正常的塊，好的塊，里面所有數(shù)據(jù)都是0xFF的。

對(duì)于壞塊的標(biāo)記，本質(zhì)上，也只是對(duì)應(yīng)的flash上的某些字節(jié)的數(shù)據(jù)是非0xFF而已，所以，只要是數(shù)據(jù)，就是可以讀取和寫入的。也就意味著，可以寫入其他值，也就把這個(gè)壞塊標(biāo)記信息破壞了。對(duì)于出廠時(shí)的壞塊，一般是不建議將標(biāo)記好的信息擦除掉的。

uboot中有個(gè)命令是

nand scrub

就可以將塊中所有的內(nèi)容都擦除了，包括壞塊標(biāo)記，不論是出廠時(shí)的，還是后來使用過程中出現(xiàn)而新標(biāo)記的。

nand erase

只擦除好的塊，對(duì)于已經(jīng)標(biāo)記壞塊的塊，不要輕易擦除掉，否則就很難區(qū)分哪些是出廠時(shí)就壞的，哪些是后來使用過程中用壞的了。

NAND 壞塊管理方法分類

目前，NAND 壞塊管理方法可分為如下幾類：

基于 FTL 芯片的壞塊管理

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

基于NAND 文件系統(tǒng)的壞塊管理

JFFS2、 YAFFS2、 FlashFx 這些專門針對(duì) NAND 的文件系統(tǒng)可以對(duì)壞塊進(jìn)行管理。

NAND 管理中間件

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

輕量級(jí) NAND 壞塊管理

對(duì) NAND 進(jìn)行管理的硬件或軟件模塊，不僅提供壞塊管理，同時(shí)也支持對(duì) NAND 的擦寫操作進(jìn)行負(fù)載平均。而輕量級(jí)的壞塊管理只專注于壞塊，并不提供擦寫負(fù)載平均的支持，而且，它也不依賴于任何第三方的庫。因此，輕量級(jí)的壞塊管理方式降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，而且免去了加載文件系統(tǒng)或初始化中間件的時(shí)間，在嵌入式系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。

圖 1 展示了幾種典型的嵌入式系統(tǒng)中 NAND 內(nèi)部的內(nèi)容布局。如果需要頻繁地對(duì) NAND 寫入各種數(shù)據(jù)，最好使用 NAND 文件系統(tǒng)或者 NAND 管理中間件對(duì)需要寫入的區(qū)域進(jìn)行管理。而那些很少需要更新的區(qū)域，比如 bootloader、VPD 和 Kernel，只需進(jìn)行輕量級(jí)的壞塊管理，不需要進(jìn)行負(fù)載平均。很多的嵌入式系統(tǒng)中，需要寫入 NAND 的數(shù)據(jù)量很少，頻度也較低，比如路由器、打印機(jī)、PLC 等，這些系統(tǒng)完全可以僅使用輕量級(jí)的壞塊管理方式。

典型嵌入式系統(tǒng)的 Nand Memory MaP

Uboot 的輕量級(jí)壞塊管理方法

NAND 壞塊管理都是基于壞塊表(BBT)的，通過這張表來標(biāo)識(shí)系統(tǒng)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(gè)問題來找到答案。

如何初始化和讀取壞塊表？

產(chǎn)生新的壞塊時(shí)，如何標(biāo)記并更新壞塊表？

如何保存壞塊表？是否有保存時(shí)斷電保護(hù)機(jī)制?

對(duì) NAND 寫入數(shù)據(jù)時(shí)，如果當(dāng)前塊是壞塊，如何找到可替換的好塊？

Uboot 是目前使用最為廣泛的 bootloader，它提供了兩種輕量級(jí)壞塊管理方法，可稱之為基本型和改進(jìn)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(duì)比

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

出現(xiàn)壞塊，則將數(shù)據(jù)順序?qū)懭胂乱粋€(gè)好塊。如果 NAND 中存放了多個(gè)軟件模塊，則每個(gè)模塊都需要預(yù)留一個(gè)較大的空間作為備用的好塊，這會(huì)浪費(fèi)較多的 NAND 空間。通常，每個(gè)模塊預(yù)留的備用好塊數(shù)為 NAND 芯片所允許的最大壞塊數(shù)，該值因不同的芯片而有所不同，典型值為 20 或 80。假設(shè) NAND 是大頁類型，總共有 N 個(gè)模塊，則總共需要預(yù)留的空間大小為 N*80*128KB。

讀取 BBT 時(shí)僅檢查簽名，沒有對(duì) BBT 的數(shù)據(jù)做校驗(yàn)。

沒有掉電保護(hù)機(jī)制。如果在保存 BBT 時(shí)斷電，BBT 將丟失。

改進(jìn)的輕量級(jí)壞塊管理方法

針對(duì)現(xiàn)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(gè)方面闡述其實(shí)現(xiàn)原理。

共用好塊池機(jī)制

首先，使用一個(gè)統(tǒng)一的備用好塊池，為所有存放在 NAND 中的模塊提供可替換的好塊。這樣，就不需要在每個(gè)模塊后面放置一個(gè)保留區(qū)，提高了 NAND 的空間利用率。

共用好塊池示意圖

為了實(shí)現(xiàn)共用好塊池，需要建立一個(gè)從壞塊到好塊的映射，所以，除了 BBT 之外，還需定義一個(gè)替換表(SBT)。這樣一來，當(dāng)讀第 i 個(gè)塊的數(shù)據(jù)時(shí)，如果發(fā)現(xiàn) BBT 中記錄該塊為壞塊，就去 SBT 中查詢其替換塊；如果寫第 i 個(gè)塊出錯(cuò)，需要在 BBT 中標(biāo)記該塊為壞塊，同時(shí)從好塊池中獲取一個(gè)新的好塊，假設(shè)其序號(hào)為 j，然后將此好塊的序號(hào) j 寫入 SBT 中的第 i 個(gè)字節(jié)，而且 SBT 的第 j 個(gè)字節(jié)寫序號(hào) i。SBT 中的這種雙向映射可確保數(shù)據(jù)的可靠性。此外，好塊池中的塊也有可能成為壞塊，如果掃描時(shí)發(fā)現(xiàn)是壞塊，則將 SBT 中的對(duì)應(yīng)位置標(biāo)記為 0x00，如果是在寫的過程中出錯(cuò)，則除了在 SBT 對(duì)應(yīng)位置標(biāo)記 0x00 之外，還要更新雙向映射數(shù)據(jù)。

BBT/SBT 映射示意圖

安全的 BBT/SBT 數(shù)據(jù)校驗(yàn)機(jī)制

傳統(tǒng)方法僅檢查 BBT 所在塊的簽名，將讀到的前幾個(gè)字節(jié)和一個(gè)特征字符串進(jìn)行比較，如果一致，就認(rèn)為當(dāng)前塊的數(shù)據(jù)為 BBT，然后讀取接下來的 BBT 數(shù)據(jù)，但并不對(duì) BBT 的數(shù)據(jù)做校驗(yàn)。如果 BBT 保存在 NAND 中，數(shù)據(jù)的有效性是可以得到驗(yàn)證的，因?yàn)?NAND 控制器或驅(qū)動(dòng)一般都會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)做 ECC 校驗(yàn)。但是，大多數(shù)控制器使用的 ECC 算法也僅僅能糾正一個(gè) bit、發(fā)現(xiàn) 2 兩個(gè) bit 的錯(cuò)誤。如果 BBT 保存在其他的沒有 ECC 校驗(yàn)機(jī)制的存儲(chǔ)體中，比如 NOR Flash，沒有對(duì) BBT 的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)顯然是不安全的。

為了更加可靠和靈活地驗(yàn)證 BBT/SBT 數(shù)據(jù)，定義下面這個(gè)結(jié)構(gòu)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(shù)目 */ UINT16 usSBTstart;/* SBT 所在位置的起始 block 序號(hào) */ UINT16 usSBtop;/* SBT top block */ UINT16 usSBnum;/* SBT number */ UINT32 ulBBTcrc;/* BBT 數(shù)據(jù) CRC 校驗(yàn)碼 */ UINT32 ulSBTcrc;/* SBT 數(shù)據(jù) CRC 校驗(yàn)碼 */ UINT32 ulHeadcrc;/* BBM 頭信息 CRC 校驗(yàn)碼 */ } BBM_HEAD

BBT/SBT 的保存形式

使用三重 CRC 校驗(yàn)機(jī)制，無論 BBT 保存在哪種存儲(chǔ)體中，都可以更加嚴(yán)格地驗(yàn)證數(shù)據(jù)的有效性。

安全的掉電保存機(jī)制

傳統(tǒng)的方法僅保存一份 BBT 數(shù)據(jù)，如果在寫 BBT 時(shí)系統(tǒng)掉電，則 BBT 丟失，系統(tǒng)將可能無法正常啟動(dòng)或工作。為安全起見，本文所述方法將同時(shí)保留三個(gè)備份，如果在寫某個(gè)備份時(shí)掉電，則還有兩個(gè)完好的備份。最壞的情況是，如果在寫第一個(gè)備份時(shí)掉電，則當(dāng)前最新的一個(gè)壞塊信息丟失。

讀取壞塊表時(shí)，順序讀取三個(gè)備份，如果發(fā)現(xiàn)三個(gè)備份的數(shù)據(jù)不一致，用記錄的壞塊數(shù)最多的備份為當(dāng)前的有效備份，同時(shí)立刻更新另外兩備份。

總結(jié)

本文介紹了NandFlash基礎(chǔ)知識(shí)和幾類 NAND 壞塊管理方法，指出了 uboot 的輕量級(jí)管理方法的缺陷，提出了一種改進(jìn)的方法，提高了 NAND 的利用率及壞塊管理的安全性，可對(duì)嵌入式開發(fā)起到有很好的借鑒作用。

責(zé)任編輯：Xj

原文標(biāo)題：Nand Flash基礎(chǔ)知識(shí)與壞塊管理機(jī)制的研究

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